Che cos'è la biologia sintetica

Ecco che cos'è, come funziona e quali prospettive apre la biologia sintetica, la nuova frontiera della biologia molecolare.

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E. coli, un batterio usato negli esperimenti di biologia sintetica. © Nature Picture Library/contrasto

Per approfondire, un documento dello Iap (in inglese), il network globale delle accademie scientifiche, su rischi e promesse della biologia sintetica. 

La notizia del batterio con un alfabeto genetico esteso ha sollecitato le curiosità sulle profonde modiche che gli scienziati possono apportare alle specie viventi, attraverso una disciplina d’avanguardia chiamato biologia sintetica.

Ma che cos’è questo nuovo e rivoluzionario approccio allo studio della vita? Cosa promette e quali possono essere i pericoli e le precauzioni da tenere in questi studi?

Che cos’è la biologia sintetica?
È una disciplina a metà strada tra l’ingegneria e la biologia molecolare. Inventata dagli americani agli inizi degli anni Duemila nelle facoltà di ingegneria biologica, mira a ridisegnare i circuiti metabolici e genetici degli organismi viventi, per creare un organismo sintetico di importanza pratica.

Ma allora la biologia sintetica costruisce Ogm?
No, sono due approcci molto diversi. Negli organismi geneticamente modificati (gli OGM) ci sono solo uno o due geni introdotti nell’intero genoma. Il resto della cellula funziona come prima, e sintetizza solo alcune molecole diverse per difendersi dai parassiti o dagli erbicidi. Negli organismi sintetici invece l’intero genoma è quasi totalmente rivoluzionato, tanto che alcuni ricercatori parlano di “vita sintetica”.

Dobbiamo temere per la salute dell’uomo e dell’ambiente?
Molti studi sulle applicazioni sono ancora pionieristici e alcuni affermano che i prodotti potrebbero avere effetti contrari a quelli voluti, sia in un malato sia nell’ambiente. Rischi temuti per esempio nell’applicazione di organismi modificati alle tecniche per il disinquinamento: diffondere batteri sintetici sui terreni contaminati potrebbe ottenere il risultato voluto, ma anche generare effetti indesiderati e difficilmente prevedibili. È vero che alcuni progetti creano organismi che si autodistruggono, ma c’è sempre il rischio che queste cellule possano mutare.

I dubbi riguardano anche la tecnica in sé: c’è chi dice che questa ingegneria sia un’illusione, perché non conosciamo abbastanza bene le cellule per indurle a fare quello che vogliamo. All’interno della comunità dei biologi sintetici c’è comunque molta attenzione alle conseguenze degli studi. E molte ricerche sono monitorate da sociologi, ecologi e comitati etici, che cercano di capire cosa potrebbe accadere se lasciassimo liberi in natura organismi modificati. Cautele inevitabili quando una tecnologia avanzatissima come la biologia sintetica apre le porte a una vera rivoluzione nella conoscenza.

Che organismi viventi si usano?
Di solito i laboratori utilizzano organismi piuttosto semplici, come i batteri (come E. coli); poiché il genoma di questi organismi è molto ben conosciuto, è possibile anche modificarlo e verificare le conseguenze delle modifiche. Altri batteri usati sono ancora più semplici, e hanno un patrimonio genetico formati da pochissimi geni, come i micoplasmi. In questo modo si possono togliere o aggiungere altri frammenti di DNA in modo da cambiarne anche radicalmente il comportamento e il metabolismo.

Quali procedure si utilizzano nei laboratori?
Gli approcci usati dai ricercatori sono due, definiti dal basso (bottom up) e dall’alto (top down). Nel primo caso si mettono insieme le singole molecole, come proteine, lipidi, DNA, e si costruisce una cellula sintetica per vedere cosa accade. Si cerca cioè di costruire una replica delle primissime cellule viventi, che ovviamente non si possono studiare perché non esistono più. Si parte di solito da “sacchettini” di lipidi, simili alle membrane delle cellule, che possono incorporare proteine e materiale genetico. Si studiano poi le reazioni che avvengono in queste cellule, e che secondo i ricercatori sono molto simili a quanto accadeva nelle primissime cellule. Il secondo approccio, top down, cerca invece di arrivare al “genoma minimo”, cioè l’indispensabile per tenere in vita una cellula. È come se da un’automobile si togliessero il tettuccio, il baule, i sedili e la carrozzeria, lasciando il motore, le ruote e i meccanismi fondamentali di trasmissione e guida. A questo si aggiungono man mano altri pezzi di Dna, magari provenienti da altre specie, in modo da modificare l’organismo. Il risultato dovrebbe essere una cellula migliorata e ottimizzata, che fa tutto con più efficienza e velocità.

Quali sono gli scopi dei due approcci?
Il primo serve per studiare l’origine della vita, il secondo ha invece applicazioni industriali come la sintesi di nuove molecole. Quali sono i frammenti di DNA che si aggiungono al “genoma minimo”? Sono sequenze standard di DNA che ogni ricercatore può trovare nel cosiddetto “Registry of Standard Biological Parts” (registro delle parti biologiche standard) al Massachusetts Institute of Technology, e usare liberamente per le sue ricerche. Come se fossero accessori e pezzi di ricambio per gli organismi che studia.

Quali sono i campi applicativi?
Quelli più a portata di mano nel medio periodo sono nel campo della bioeconomia, come la produzione di molecole o di processi nel campo dell’economia verde. Per esempio un settore di grande impatto potrebbe essere la produzione di bioetanolo. Grazie a batteri e lieviti “superfermentatori” non ci sarebbe più bisogno di usare prodotti alimentari come il mais per produrre etanolo: il carburante proverrebbe direttamente da scarti agricoli. Si possono anche modificare alghe e cianobatteri (organismi fotosintetici microscopici, presenti a miliardi negli oceani) per produrre altri combustibili per le automobili, come metanolo o butanolo. Si crede molto alle opportunità della biologia sintetica anche nel settore delle molecole farmacologiche. È grazie a un lievito modificato, per esempio, che si arriva al precursore di un farmaco antimalarico, l’artemisinina. La produzione tradizionale si fa estraendo le molecole da una pianta, l’Artemisia annua, soprattutto in fabbriche di Cina e Vietnam. Dall’aprile 2013, è però partita la produzione innovativa anche nello stabilimento della Sanofi-aventis a Garessio (Cn); qui si trasformano le molecole ottenute da un lievito modificato grazie alla biologia sintetica. Con la materia prima che esce dallo stabilimento, si prevede di realizzare il farmaco sufficiente per 120- 130 milioni di trattamenti per malati di malaria.
Altri progetti molto più avanzati riguardano il metodo per far sintetizzare a batteri sintetici le cosiddette smart protein, molecole “intelligenti” che si autoassemblano dove è presente la malattia – ad esempio un tumore – per combatterla.

Sono solo studi teorici o c’è anche l’interesse dell’industria?
Che le prospettive per questo campo siano interessanti lo dimostra il fatto che la Exxon, colosso petrolifero statunitense, ha finanziato con 600 milioni di dollari la ricerca di Craig Venter, uno dei pionieri delle applicazioni industriali della biologia sintetica (e del sequenziamento del genoma umano), per creare biocarburante da batteri modificati. Inoltre la Bbc Research ha stimato che nel 2011 il giro d’affari della biologia sintetica sia stato di 1,6 miliardi di dollari, con una proiezione di 10,8 miliardi per il 2016.

Un campione di alga sintetica prodotta negli Stati Uniti per potrebbe essere utilizzata per la produzione di biocarburanti. Foto: © Stefan Falke/Laif/Contrasto

08 Maggio 2014 | Marco Ferrari