Ricercatori dell'Istituto Pasteur e dell'Inria, con ricercatori del CNRS e dell'Università Paris Diderot, e dall'Istituto di scienza e tecnologia (IST) in Austria, hanno pubblicato due articoli in Comunicazioni sulla natura sul controllo computerizzato dei processi cellulari. Le piattaforme sperimentali ibride che combinano microscopi e software consentono ai ricercatori di interfacciare le cellule viventi con algoritmi di controllo in tempo reale. I due articoli illustrano che queste soluzioni consentono di creare comportamenti nuovi e facilmente riprogrammabili delle popolazioni cellulari. Questo controllo esterno del tessuto vivente diventerebbe quindi un formidabile strumento di ricerca per acquisire una comprensione dettagliata del ruolo biologico di alcune proteine ​​e per ottimizzare i processi di bioproduzione.

L'obiettivo della biologia sintetica, che combina la biologia con l'ingegneria, è quello di (ri)programmare le cellule al fine di migliorare le loro prestazioni in un compito specifico, o in modo che possano svolgere in modo efficiente un nuovo compito. Una delle sfide in questa disciplina è quindi quella di aggirare i limiti dei sistemi biologici esistenti. Per esempio, è difficile ottenere la stessa espressione genica in cellule diverse, anche se sono cresciuti nello stesso mezzo. Grazie a queste tecnologie all'avanguardia, i ricercatori sono in grado di fornire un controllo omogeneo di un processo cellulare per un periodo molto lungo.

Ricercatori dell'Istituto Pasteur e dell'Inria, il CNRS e l'Università Diderot di Parigi, e l'IST Austria hanno sviluppato due piattaforme che collegano un microscopio a un computer. Le cellule sono poste in un dispositivo microfluidico in cui l'ambiente chimico può essere variato o le cellule possono essere esposte a stimoli luminosi. Un programma per computer decide quali modifiche devono essere apportate all'ambiente chimico o luminoso in base al comportamento osservato delle cellule e all'obiettivo dell'esperimento. Il computer gestisce anche l'acquisizione delle immagini da parte del microscopio e la loro analisi, quantificare le risposte cellulari in tempo reale.

Nel primo articolo, i ricercatori dell'Istituto Pasteur e di due gruppi dell'IST Austria hanno utilizzato l'optogenetica per attivare l'espressione di un gene esponendo le cellule alla luce. Una proteina fluorescente viene utilizzata per misurare la quantità di proteine ​​prodotte. Un controllore, utilizzando un modello del sistema, può quindi prendere decisioni in tempo reale su quali disturbi dinamici applicare in base al comportamento futuro previsto delle cellule. Grazie ai programmi informatici creati dai ricercatori, possono controllare ogni cellula individualmente in vari modi, o creare una comunicazione virtuale tra più celle, che fanno circolare i messaggi in un ordine facilmente riconfigurabile. " Siamo riusciti a costruire una piattaforma che ci consente di progettare circuiti in parte biologici e in parte virtuali. Le parti virtuali di questi circuiti possono essere modificate arbitrariamente per creare ed esplorare rapidamente comportamenti cellulari, anche al di là di ciò che è biologicamente possibile, "dice Jakob Ruess, co-autore del primo articolo.

Nel secondo articolo, Gregorio Batt, capo dell'unità InBio e coautore con Pascal Hersen del CNRS/Paris Diderot University spiega come sono riusciti a posizionare un sistema cellulare in una configurazione instabile:"Abbiamo progettato un programma per computer che mira a costringere le cellule a prendere decisioni binarie casualmente. Per fare questo, le cellule sono spinte in una regione di instabilità - come gli scalatori su una linea di cresta di una montagna - e poi sono lasciate evolvere liberamente verso una delle due possibili configurazioni stabili. inaspettatamente, abbiamo osservato che una data stimolazione, se scelto correttamente, era in grado di portare gruppi di cellule diverse nella regione di instabilità e di tenerli lì. Questi risultati potrebbero aiutare ad acquisire una comprensione più chiara di come le popolazioni cellulari prendono collettivamente decisioni solide senza un coordinamento individuale".

I progressi scientifici descritti in questi articoli sono stati resi possibili dall'alleanza tra due discipline oggi complementari:la biologia e le scienze digitali. Stretta collaborazione tra l'Istituto Pasteur e Inria, assumendo la forma del gruppo di ricerca InBio join, il cui scopo è sviluppare un quadro metodologico per raggiungere una comprensione quantitativa del funzionamento dei processi cellulari, è la perfetta illustrazione del valore della ricerca interdisciplinare che combina approcci sperimentali con sviluppi metodologici.