Metodologie bioingegneristiche nella clinica medico-chirurgica
La Biologia di Sintesi è un campo di ricerca che integra la biologia con i principi ingegneristici, progettando circuiti biologici artificiali che svolgono una funzione desiderata all’interno della cellula. Il campo ha una varietà di applicazioni mediche tra cui la diagnostica molecolare, le terapie basate sulle cellule e la biofabbricazione di farmaci come i vaccini, ampliate grazie alle conoscenze raccolte nelle branche dell’Ingegneria Genetica e delle Nanotecnologie.
Le cellule umane sono delimitate da una membrana plasmatica contenente compartimenti cellulari (organuli, citoplasma) aventi funzioni proprie e i cui disegni sono codificati dal DNA.
I segnali che una cellula riceve dall’ambiente lungo la membrana plasmatica (ioni, ormoni, proteine, fattori di crescita, sostanze nutritive…) vengono captati da opportuni recettori, poi trasdotti ed elaborati attraverso vie metaboliche, con espressione o repressione della trascrizione genica, per consentire alla cellula stessa di rispondere in modo appropriato allo stimolo. A livello molecolare, le vie metaboliche sono una serie di reazioni biochimiche che ad ogni fase prendono il prodotto di una reazione precedente nel percorso e lo convertono nel componente della fase successiva. Questi percorsi molecolari raramente operano in isolamento, ed è più comune pensare che ognuno di essi sia parte di una più ampia rete o sistema di percorsi, con componenti condivisi e più crossover, essendo le molecole partecipanti soggette a diffusione caotica. Si possono pertanto formulare modelli matematici che spiegano questa casualità cinetica, computata con precisione quando il numero di molecole coinvolte è molto basso.
Comparando una cellula biologica ad un circuito elettronico, e traducendo l’attività metabolica in linguaggio informatico, in un circuito elettronico i segnali analogici continui (suoni, immagini, movimenti che possono assumere qualsiasi valore all’interno di un intervallo) vengono ricevuti in input e, a seconda della quantità e combinazione, convertiti mediante operazioni booleane da porte logiche in segnali digitali discreti (numeri, lettere, simboli) in output.
Il sistema interagisce costantemente con l’ambiente, è sensibile a qualsiasi cambiamento di segnale nel tempo: per gli input al di sotto di un valore di soglia, il sistema non viene stimolato, rimane allo stato basale; quando il segnale di ingresso supera il valore di soglia, il sistema passa al secondo stato. Il susseguirsi di segnali induce a far emergere dalla cellula determinati risultati biologici, pertanto la combinazione di diversi segnali contrapposti può creare oscillazioni in cui l’output del sistema cambia nel tempo.
Per Ingegneria Genetica si fa riferimento ad una branca delle Biotecnologie Nucleari che circoscrive un insieme eterogeneo di tecniche che permettono di frammentare il DNA nei suoi geni, isolarli, modificarli, clonarli e introdurli in un organismo differente dall’ospite originale al fine di conferire nuove caratteristiche alle cellule riceventi, definite ricombinanti, per favorire un migliore adattamento a specifiche esigenze. Nella Biologia Sintetica, il DNA naturale viene manipolato con queste tecniche, modificato, “sintetizzato”, per codificare bioparti, le bioparti vengono poi combinate per creare dispositivi, i dispositivi sono infine integrati in sistemi biologici (Northumbria University, UK, 2021).
Per garantire che le bioparti possano essere utilizzate per erigere cellule biologiche artificiali è imperativo che esse possano facilmente adattarsi tra loro come moduli, con quantità minime di ottimizzazione, in un ambiente cellulare fornente energia, per operare sinergicamente come in una tecnologia “plug and play”.
Per consentire un’efficiente ed universale condivisione di dati e progetti biologici in silicio tra la comunità di Biologia Sintetica, i bioinformatici hanno sviluppato un linguaggio convenzionale per la stesura dei dati, il Synthetic Biology Open Language (SBOL), ed uno per la modellizzazione grafica dei disegni elaborati, SBOL Visual, i cui modelli genomici biologici possono essere scritti in una varietà di linguaggi di programmazione informatica come C++, Java o Python.
John Craig Venter studiò il genoma batterico del Mycoplasma genitalium e scoprì che alcuni geni svolgevano funzioni identiche o intercambiabili (ridondanza), pertanto capii che una cellula sintetica ideale avrebbe dovuto avere il minor numero possibile di geni necessari per sostenere il metabolismo. Rimosse quindi i geni superflui da un Mycoplasma mycoides e inserì il genoma sintetico minimo neoformato in una cellula priva di DNA, sintetizzando quindi la prima cellula batterica regolata da un circuito genetico sintetico: il Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 (The J. Craig Venter Institute, La Jolla, CA, USA, 2010).
Le cellule sintetiche potrebbero essere sfruttate per la diagnosi medica inserendo nel loro genoma i geni codificanti i recettori per specifici biomarcatori patologici (frammenti di DNA iperespressi, proteine mutate, proteine lungo la superficie della cellula, molecole infiammatorie…): quando i primi segni molecolari di malattia vengono ricevuti in input lungo i recettori sintetici, le informazioni vengono trasdotte, elaborate in vie metaboliche e passate infine ad un attuatore genetico che guiderebbe l’espressione di una proteina fluorescente verde (GFP) che segnala al rilevatore l’insorgenza della data malattia, velocizzando così la diagnosi differenziale: se la regione anatomica “risplende” al rilevatore, il risultato in termini di logica binaria è “1”, altrimenti è “0”. Un’applicazione farmacologica invece è l’inserimento di circuiti genetici codificanti istruzioni di induzione di morte della cellula malata: non appena le cellule sintetiche percepiscono l’insorgenza di una malattia, potrebbero secernere molecole inducenti nella cellula malata l’apoptosi, un programma di suicidio cellulare che blocca istantaneamente, ad estremi rimedi, la malattia sul nascere.
Sul fronte comune del progresso terapeutico, le Nanotecnologie segnano l’ultima frontiera del metabolismo farmacologico: i farmaci somministrati nel paziente vengono racchiusi in una nanostruttura (una membrana molecolare modificata dell’ordine del nanometro) che non si disperde nella totalità dell’organismo bensì si lega alla regione malata interessata grazie a recettori di origine sintetica, rilasciando il farmaco in modo mirato e circoscritto. Il farmaco si accumula nei siti malati più rapidamente rispetto agli approcci tradizionali di somministrazione, accumulandosi a livelli sempre più elevati localmente e minimizzando così gli effetti collaterali sistemici.
Esemplificando il caso del glioblastoma, una dei più maligni ed aggressivi tumori cerebrali, una volta che i recettori sintetici ricevono in input gli antigeni molecolari caratteristici (mutazioni dei geni TP53, PTEN e RB, iperespressione delle proteine PDGF, EGFR, MDM2 e c-Myc) è possibile operare in più direzioni: innescare una segnalazione fluorescente a scopo diagnostico; oppure indurre la prima cellula tumorale a suicidarsi, impedendole di riprodursi e formare nel tempo la massa tumorale; oppure racchiudere il Temozolomide, il chemioterapico antiblastico alchilante tipico della sua terapia, in una nanomembrana che si accumula velocemente ed esclusivamente nella regione malata.
L’aspetto saliente di queste strategie è che l’ambiente cellulare funge da hardware, le singole bioparti (caricate ed eseguite) da software, e il DNA svolge sia la funzione di operatore logico sia quella di memoria computazionale stabile: i risultati delle operazioni infatti vengono conservati non solo nella cellula sintetica che ha eseguito l’elaborazione, ma addirittura per almeno 90 generazioni cellulari successive, a condizione che le tali non siano colpite a loro volta da malattie. Data l’efficienza di queste metodologie, si prevede quindi la realizzazione bioingegneristica di complessi sistemi integrati di logica e memoria a stati cellulari per applicazioni diagnostiche e terapeutiche anche per i tumori più aggressivi, in cui la sopravvivenza del DNA sintetico e il conseguente adempimento delle sue funzioni prestabilite sono intrinsecamente legati alla natura del sistema biologico che esso sintetizza e nel quale trae valore: il sistema è la sua nave, il genoma la sua bussola.
