Biologia sintetica: costruita la prima cellula che ha ricordi a lungo termine

CAMBRIDGE – Gli ingegneri del MIT (Massachusetts Institute of Technology) hanno sviluppato un circuito genetico artificiale capace di “ricordare” la propria storia.

È stato possibile ottenere questo risultato potenziando le cellule di alcuni batteri con circuiti genetici artificiali; grazie a questo innesto, le cellule batteriche riescono a svolgere funzioni elementari e, sorprendentemente, a mantenere una traccia mnestica di queste funzioni. Questa traccia, inscritta nel DNA dei batteri, può essere trasmessa a dozzine di generazioni.

I circuiti sintetici potrebbero essere usati in vari modi: da sensori ambientali a lungo termine – ad esempio, per rendere più efficienti i controlli nella bioproduzione – a basi per programmare e regolare la differenziazione delle cellule staminali. A seguire gli estremi del paper: Piro Siuti et alii, Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells, in”Nature Biotechnology”, 10/02/2013: DOI: 10.1038/nbt.2510.

Uno degli autori della ricerca, Timothy Lu, Professore Associato di ingegneria informatica e di ingegneria biologica al MIT, commenta in questi termini l’importanza della scoperta: “quasi tutto il lavoro precedente in biologia sintetica di cui siamo a conoscenza o ha focalizzato i suoi sforzi su componenti logici, oppure su moduli di memoria che possono solo codificare la memoria. Noi, invece, pensiamo a un calcolo complesso che combina la logica e la memoria, ed è per questo che abbiamo costruito questo particolare circuito”.

Non solo logica booleana. L’idea alla base della biologia sintetica è quella di utilizzare i  componenti fondamentali del DNA, come promotori o sequenze codificanti, per costruire circuiti genetici che svolgano compiti progettati dall’uomo. Di solito si isolano delle parti genetiche intercambiabili per costruire circuiti lineari che realizzano una funzione specifica: ad esempio, rilevare la presenza di una sostanza chimica nell’ambiente. Ogni volta che sostanza-bersaglio viene rilevata si ha una risposta specifica da parte del circuito, in gergo un indicatore, come la produzione di una proteina verde e fluorescente (green fluorescent protein, GFP).

Si tratta a tutti gli effetti di circuiti integrati che realizzano fisicamente le funzioni matematiche attraverso tre porte, AND, OR e NOT, e tutti i segnali di ingresso/uscita/selezione possono assumere solo valori booleani (1 o 0, vero o falso). Nella maggior parte dei circuiti fino ad oggi in uso, l’output è vincolato alla presenza dello stimolo. Più semplicemente, se si cerca una sostanza nell’aria, l’indicatore del circuito reagisce finché quella sostanza è nell’aria, ma in assenza dello stimolo l’informazione registrata in precedenza si perde. Nel circuito non ne resta traccia.

Un caso di ricombinazione genetica. Timothy Lu e colleghi sono invece riusciti a creare un circuito che viene irreversibilmente modificato da ogni stimolo che riceve, creando una memoria a lungo termine dell’evento. Per ottenere questo risultato hanno manipolato un particolare enzima, chiamato ricombinasi, in grado di governare processi di ricombinazione genetica attraverso uno scambio di regioni del DNA a partire da segmenti in origine separati. Grazie a questo “ritaglio” del DNA gli ingegneri hanno ottenuto una attivazione sequenziale di un plesso enzimatico che consente ai circuiti di “contare” gli eventi che avvengono al loro interno.    

Gli scienziati hanno così potuto inserire questa capacità di contare all’interno di una delle tre porte logiche in modo che l’input modifichi stabilmente le regioni del DNA responsabili della produzione della proteina GFP. Queste regioni, note come promotori, governano il montaggio delle proteine reclutando quelle responsabili della trascrizione del gene GFP in RNA messaggero. Nel circuito descritto nell’articolo, due sequenze di DNA chiamate terminatori sono interposte tra il promotore e il gene di uscita (GFP, in questo caso). Ognuno di questi terminatori inibisce la trascrizione del gene di uscita e può essere sostituito da un enzima di ricombinasi diverso rendendo inattivo il terminatore.

In sintesi, laddove in una tipica porta cellulare AND i due input necessari attivano proteine che, insieme, accendono l’espressione di un gene di uscita, nei nuovi circuiti gli input alterano stabilmente regioni di DNA che controllano la produzione della proteina GFP. Ciascuno dei due input del circuito attiva la produzione di uno degli enzimi ricombinasi necessari ad vincere un terminatore. In assenza dei due input, la produzione di GFP viene bloccata; invece, se entrambi sono presenti, i terminatori sono vinti e questo porta alla loro disattivazione e alla produzione di GFP.

La memoria a lungo termine. Una volta sostituite le sequenze, il DNA memorizza le informazioni. Per leggere la storia della cellula si può misurare la sua uscita GFP, che sarà continuamente attiva, oppure, nel caso in cui la cellula sia morta, la memoria può essere recuperata mediante un semplice sequenziamento del DNA. Usando questa strategia di progettazione, i ricercatori possono implementare sistemi logici sequenziali mediante porte logiche a due ingressi.

Un simile circuito potrebbe anche essere utilizzato per creare un convertitore digitale-analogico. In questo caso, si prendono input digitali – per esempio, la presenza o assenza di sostanze chimiche singoli – e si convertono in output analogici, come livelli continui di espressione genica. Questo tipo di circuito in grado di offrire un migliore controllo sulla produzione di cellule che generano biocarburanti, farmaci o altri composti utili. Ma i risultati più importanti si attendono nel campo delle staminali.