Cosa ne farebbe Paul Cezanne di quella natura morta di frutta prodotta dai microbi? Felix Moser (MIT) Batteri che rispondono al rosso, la luce verde e blu ha prodotto alcune straordinarie opere d'arte a tre colori che hanno fatto il giro online, ma il contributo che stanno dando al campo della biologia sintetica è ancora più impressionante.
I batteri artistici sono stati progettati da Chris Voigt, professore di ingegneria biologica al Massachusetts Institute of Technology, e la sua squadra, che vogliono programmare le cellule per svolgere funzioni e anche costruire materiali dal basso verso l'alto.
"Le cellule sono incredibili architetti atomici. Sono in grado di costruire materiali molto precisi che non puoi fare con la chimica, " Dice Voigt. "E puoi farlo in condizioni ambientali invece di usare solventi tossici." Hanno pubblicato il loro studio questa settimana su Nature Chemical Biology.
I batteri ingegnerizzati potrebbero esserci utili in tutti i modi. Potrebbero essere progettati per costruire tessuti o materiali, o identificare la malattia in un paziente e somministrare una dose esatta di medicinale nel punto giusto. Potrebbero sciamare le radici di una pianta nel terreno e fornire una quantità precisa di fertilizzante. Potrebbero produrre particelle di ferro man mano che crescono, che potrebbero diventare componenti dell'elettronica che sono un ibrido tra biologia e macchina.
Per realizzare quel futuro, gli scienziati devono migliorare nella programmazione delle cellule. Ecco dove questa ultima tecnica, chiamato un sistema RGB - per il rosso, verde e blu — entra in gioco. Si basa su più di un decennio di ricerca nel laboratorio di Voigt, in particolare, un progetto da lui pubblicato nel 2005, che descriveva un modo per ottenere Escherichia coli batteri per creare foto in bianco e nero.
Il sistema in bianco e nero del 2005 consisteva di quattro geni, 4, 000 paia di basi (le basi CG e AT in una molecola a doppio filamento), e tre pezzi di DNA chiamati promotori che avviano la prima azione che un gene compie per trasformare le sue istruzioni in un prodotto, come una proteina.
Da allora le cose si sono complicate.
Il sistema RGB del team è composto da 18 geni, 14 promotori, così come altri frammenti di DNA chiamati terminatori e plasmidi, e 46, 198 coppie di basi.
"In un senso, sta passando da una lunghezza d'onda della luce a tre, ma perché lo stai facendo tutto dentro la cella, diventa esponenzialmente difficile far funzionare bene molte cose, e questo richiedeva molta tecnologia, "Dice Voigt.
La tecnologia per programmare le cellule includeva l'optogenetica (un modo per controllare le cellule con la luce), un linguaggio di programmazione per cellule chiamato Cello che Voigt e il suo team hanno sviluppato l'anno scorso e un nuovo metodo per controllare le funzioni geniche noto come CRISPR.
Utilizzando questi e altri strumenti della biologia sintetica, hanno progettato una cella con le seguenti parti:
La cellula poteva percepire i tre colori della luce, elaborare le informazioni con i circuiti genetici e, perché gli scienziati sono stati in grado di controllare ciò che i geni hanno fatto con le informazioni - come le hanno espresse - le cellule hanno generato rosso, verde, e pigmento blu.
In una capsula di Petri, i microbi "dipingevano" una natura morta di frutta, un motivo geometrico di lucertola e un Super Mario che salta.
SuperMario, come disegnato da batteri E. coli. HowStuffWorks ha aggiunto lo sfondo. Felix Moser (MIT)
Poiché gli scienziati controllano l'espressione genica, potrebbero usare le luci per fare altre cose oltre a fare arte. In una prova, gli scienziati hanno controllato la capacità della cellula di produrre acetato. Comprendere il sistema di feedback per l'acetato è fondamentale per molti processi industriali, come fare agenti aromatizzanti, solventi e combustibili, dove in alcuni casi gli ingegneri potrebbero volere l'acetato ma in altri casi, potrebbero non farlo.
Voigt afferma che il sistema RGB potrebbe essere utilizzato anche per costruire molecole, un processo che richiede il verificarsi di serie specifiche di reazioni in momenti particolari. Accendere e spegnere le luci in momenti specifici potrebbe innescare vie metaboliche ed enzimi al momento giusto per produrre dolcificanti naturali e prodotti farmaceutici.
E poiché queste cellule sono controllate dalla luce, potrebbero essere controllati a distanza.
Per il prossimo progetto, Voigt vorrebbe costruire un più grande, sistema più complesso. Ma lui e la sua squadra sanno che sarà una sfida. Si scopre che quando hanno aggiunto molti componenti genetici alla cellula, le parti altrimenti non tossiche hanno iniziato a impedire la crescita della cellula e in alcuni casi, uccidili.
"Cosa c'è nel design del sistema che rende difficile il corretto funzionamento della cellula?" chiede Voigt.
Trovare la risposta può richiedere un po' di creatività.
