Circuiti integrati per una cellula-computer.

Fonte: Le Scienze

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Un sistema efficiente che integra operatori logici e memoria all'interno di singole cellule: a realizzarlo è stato un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, che ne riferisce in un articolo pubblicato su “Nature Biotechnology”.
Nell'ambito della biologia sintetica - che studia la possibilità di progettare e produrre nuove strutture biologiche in modo artificiale - una delle strade più battute è quella di cercare di dotare le strutture delle funzionalità desiderate trasportando concetti sviluppati dall'ingegneria elettronica nell'ambito della biologia cellulare, sfruttando come hardware i filamenti di DNA.
Negli ultimi anni sono state realizzate da diversi gruppi di ricerca sia porte logiche di base (come quelle note come AND o OR) sia memorie biosintetiche. Tuttavia, la costruzione di porte logiche complesse – come XOR e XNOR – ha richiesto la stratificazione di più strutture genetiche, rendendo molto difficile la realizzazione del circuito. Problema ancora più grave, finora non era stato ancora trovato il modo per interfacciare in modo efficiente queste porte logiche con i dispositivi biologici usati come memorie, così da conservare traccia dei passi intermedi e dell'output dei calcoli.
Per superare questi problemi, Piro Siuti e colleghi hanno pensato di ricorrere ai plasmidi - strutture circolari di DNA distinte dal DNA nucleare, che in natura sono presenti in molti batteri – ingegnerizzando 16 plasmidi artificiali, ciascuno dei quali corrispondente a una delle 16 porte logiche di base possibili in una logica booleana, che hanno poi inserito nel loro "computer cellulare", una cellula di E. coli. Ciascun plasmide è portatore del gene di una proteina fluorescente e di altre due sequenze di DNA, una che serve da promotore della trascrizione del gene e l'altra da terminatore della sua espressione. Il risultato di un'operazione eseguita dal plasmide è dato dall'espressione della proteina fluorescente: se "risplende" il risultato, in termini di logica binaria, è "1", altrimenti è "0". Come segnali di input necessari ad avviare il "computer cellulare" i ricercatori hanno utilizzato diverse ricombinasi, una famiglia di enzimi in grado di tagliare e ridisporre le sequenze del promotore e del terminatore della trascrizione dei plasmidi, grazie alla cui azione è possibile gestire operazioni complesse sui plasmidi.
Uno degli aspetti salienti di questa strategia è che il DNA svolge sia la funzione di operatore logico sia quella di memoria computazionale. Inoltre questa memoria è stabile, vale a dire che i risultati delle operazioni vengono conservati non solo nella cellula che ha eseguito l'elaborazione, ma addirittura per almeno 90 generazioni cellulari successive.
Di particolare interesse è che il metodo non è utilizzabile solo per eseguire calcoli: i ricercatori sono infatti riusciti a costruire un convertitore da analogico a digitale, ossia una struttura biosintetica che ricevendo come input opportuni segnali "digitali" (sotto forma di ricombinasi) fornisce un output sotto forma di espressione stabile di un gene (che potrebbe codificare una qualche proteina di cui l'organismo è carente).
Il risultato rende più vicina la realizzazione di "circuiti genetici sintetici per sviluppare reti di ordine superiore con funzioni programmabili", spiegano gli autori, prevedendo che "questo sistema integrato di logica e memoria consentirà la realizzazione di complesse macchine a stati cellulari per applicazioni biotecnologiche, terapeutiche, diagnostiche e di scienze di base.”