Dimentichiamoci i cyborg dei migliori romanzi di fantascienza: qui non troveremo innesti bionici o batterie al plasma. Ma circuiti viventi che funzioneranno grazie al motore biologico degli organismi – il dna – modificato ad hoc. Tutto merito della biologia sintetica, un campo della ricerca che utilizza le molecole del codice genetico ridisegnate in laboratorio con lo scopo di riprogrammare le cellule viventi.

Per fare cosa? Per usare una metafora, si può immaginare di inserire all’interno di una cellula un piccolo processore computerizzato, trasformandola in una sorta di robot che segue gli ordini alla perfezione. In questo modo si può dire alle cellule di andare in cerca di batteri nocivi, identificarli, eliminarli e poi autodistruggersi a missione compiuta. Oppure di rimanere a guardia all’interno dell’organismo per mesi, distribuendo una piccola dose di farmaci ogni volta che è necessario. Forse non dovremo aspettare molto, prima di vedere questi piccoli prodigi al lavoro.

La scienza, infatti, dispone già degli strumenti per realizzare questi biorobot: i primi network di geni sintetici sono stati creati circa una decina di anni fa, e oggi ci si prepara in alcuni casi a portare i biocircuiti in ospedale. Ecco, in un articolo appena pubblicato da Science, una piccola carrellata di quelle che potrebbero essere le tecnologie biomediche del futuro.

Trattamenti anti-infettivi
Per trattare le infezioni causate dai batteri, gli scienziati hanno pensato di sfruttare gli eterni nemici di questi microrganismi: i batteriofagi. Si tratta di virus il cui unico scopo nella vita è quello di fare breccia negli ammassi batterici chiamati biofilm (sottili strati di cellule protetti da sostanze molto coriacee). Di solito prendono di mira i batteri più esposti, si replicano al loro interno e poi li uccidono nel tentativo di infestare il resto della colonia.

Da qui l’idea – riportata in uno studio pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences - degli ingegneri biomedici Timothy Lu e James Collins, che hanno modificato il dna del batteriofago T7 in modo da dotarlo di tutte le informazioni per sintetizzare un enzima particolare, la dispersina B (DspB). Infatti, questa molecola è in grado di sciogliere come burro lo strato di difesa esterno che protegge i biofilm.

Grazie a questa nuova arma, non appena T7 riesce a introdursi anche in un solo batterio, lo costringe a produrre grandi quantità di DspB. Così, dopo averlo inzeppato con un cocktail di enzimi sciogli-tutto, T7 lo fa esplodere dall’interno, annaffiando i microrganismi vicini con una pioggia di DspB. Le loro difese esterne cedono, e i T7 si gettano nuovamente all’attacco, innescando un nuovo ciclo di distruzione. Alla fine dei giochi, il 99,99% dei batteri nocivi ci lascia le penne.

Chemioterapia intelligente
Le terapie contro il cancro sviluppate negli ultimi decenni hanno ottenuto dei buoni risultati, ma restano ancora molto aggressive, soprattutto nei confronti dei tessuti sani che circondano le cellule tumorali. Una soluzione alternativa prevedrebbe di sviluppare dei trattamenti in grado di colpire con grande precisione solo le aree infette. Al biologo Christopher Voigt è venuto allora in mente di sfruttare alcuni batteri (questa volta innocui) riprogrammandoli a dovere.

In uno studio pubblicato sul Journal of Molecular Biology, il team di ricerca guidato da Voigt ha effettuato qualche interessante modifica al dna di Escherichia coli, un comune batterio che abita il nostro intestino. Gli scienziati hanno inserito nel microrganismo un vero e proprio interruttore genico, ovvero un circuito che si attiva solo in determinate condizioni ambientali. In questo caso, si trattava di un meccanismo molecolare che attivava la produzione di invasina, una proteina che permette ai batteri di aderire alla superficie dei tumori per poi invaderli.

Per far sì che E. coli entri in azione solo in presenza delle cellule cancerose, il meccanismo che attiva l’invasina è stato modificato in modo tale da attivarsi solo in assenza di ossigeno. Certe parti dei tumori, infatti, si trovano spesso in queste condizioni di ipossia, poiché i vasi sanguigni che li alimentano tendono a chiudersi, interrompendo i rifornimenti verso i tessuti malati. A Voigt e colleghi, ora, non resta altro che trovare un modo per far arrivare il batterio in contatto con i tumori e vedere cosa succede.

Sviluppo di vaccini sicuri
Lo sviluppo dei principi attivi che vengono somministrati attraverso la vaccinazione rappresenta un campo di ricerca abbastanza delicato. Spesso, infatti, i vaccini contengono forme depotenziate del batterio o virus che si vuole combattere. Questi, una volta iniettati, risvegliano le difese immunitarie dell’organismo, che iniziano a produrre anticorpi specifici contro una specifica minaccia. L’idea di base funziona abbastanza bene, ma a volte può capitare di incorporare per sbaglio nel vaccino dei frammenti non del tutto innocui.

Al fine di scongiurare le brutte sorprese, il nanobiotecnologo Enrico Mastrobattista ha presentato sulle pagine di Systems and Synthetic Biology una ricerca per realizzare una bio-fabbrica immunitaria. Il ricercatore ha racchiuso dentro un liposoma (una vescicola microscopica circondata da un doppio strato di grassi) tutti i componenti biologici necessari a sintetizzare alcuni composti che simulano la presenza di batteri o virus patogeni.

Questa capsula è in grado di produrre una serie di molecole che inducono il sistema immunitario dell’organismo a scatenare una reazione del tutto simile a quella suscitata dalla presenza di veri patogeni. Così, con un semplice stratagemma, si può indurre il corpo a produrre anticorpi senza mai esporlo a contatto con agenti potenzialmente dannosi.

Biocircuiti per la medicina rigenerativa
Finora sono state citate applicazioni dirette verso batteri e virus, ma all’orizzonte vi sono anche dei sistemi realizzati appositamente per le cellule dei mammiferi. Vale la pena dare uno sguardo allo studio pubblicato su Cell sempre da James Collins.

L’idea alla base è quella di realizzare un cosiddetto circuito biologico, in grado di regolare il comportamento delle cellule impiantate nei tessuti umani durante le terapie rigenerative. Spesso, infatti, le cellule impiegate per riparare i tessuti danneggiati non sono in grado di adattarsi al nuovo ambiente. Il loro programma genetico rischia addirittura di impazzire e condurle verso un suicidio programmato (l’ apoptosi).

Per ovviare a questo problema, Collins ha creato un network artificiale di geni di controllo in grado di spegnere e accendere un qualsiasi altro gene bersaglio presente nell’organismo. In questo modo, è possibile indirizzare il comportamento delle cellule agendo su determinati punti chiave del loro dna. In futuro potremo essere cioè dire agli impianti rigenerativi di non fare di testa propria e indirizzarli nella riparazione di diversi tipi di danno.

pubblicato su Wired.it