Stampanti di DNA

Il 31 Marzo 2013 la morte di due uomini in Cina fa risuonare un allarme internazionale. Questo perché avevano contratto l'influenza aviaria e si temeva una pandemia globale poiché il virus si stava già diffondendo rapidamente per tutta la Cina. Sebbene esistevano ed esistono metodi per produrre un vaccino e fermare il propagarsi della malattia, nel migliore dei casi, non sarebbe stato disponibile per almeno sei mesi. Questo perché il processo di produzione di quel vaccino era lento e antiquato.

Il processo standard per la produzione del vaccino contro l’influenza aviaria consiste nel separare il virus dai pazienti infetti per poi iniettarlo all’interno di alcune uova di gallina, per poi permettere la fase di incubazione delle uova per diverse settimane in modo da preparare il virus per un processo produttivo composto da numerose fasi nell’arco di diversi mesi.

Fortunatamente questa non era l’unica opzione, una compagnia americana di nome Novartis aveva appena inventato una stampante biologica, la quale permette alle istruzioni per il vaccino di essere scaricate da internet e stampate immediatamente. Accelerando drasticamente il processo produttivo dei vaccini, e potenzialmente salvando milioni di vite.

La stampante biologica influenza la nostra abilità di leggere e scrivere il DNA e comincia a porre a fuoco ciò che viene definito “teletrasporto biologico”. Il DNA si può modificare e riprogrammare, come un programmatore scrive codici per creare tutte le funzionalità di un computer. Anche le applicazioni sono diverse; alcune modificano la seconda generazione di una specie alcune creano vita altre cellule viventi auto-replicanti, entità come vaccini e terapie che operano in modi che anche solo pochi anni fa erano fantascienza. Alcuni ricercatori come Craig Venter, vincitore della National Medal of Science e il Premio Nobel Ham Smith condividevano una visione simile; La visione era, visto che tutte le funzioni e caratteristiche di tutte le entità biologiche, virus e cellule viventi compresi, sono scritte nel codice del DNA, se uno può scrivere e leggere quel codice, in seguito si possono riscrivere queste caratteristiche in un luogo remoto. Questo è ciò che viene inteso come “teletrasporto biologico”. Per implementare questa visione, Craig e Ham stabilirono l'obiettivo di creare, per la prima volta, una cellula sintetica, partendo dal codice genetico inserito in un computer.

Un genoma è un set completo di DNA all'interno di un organismo. In seguito al “Progetto Genoma Umano” del 2003, un impegno internazionale per identificare il completo modello genetico di un essere umano, accadde una rivoluzione genomica. Gli scienziati iniziarono a padroneggiare le tecniche per leggere il DNA. In modo da determinare l'ordine delle basi azotate; Adenina, Citosina, Timina e Guanina all'interno di un organismo. Il lavoro di una stampante biologica è molto diverso; è indispensabile saper padroneggiare le tecniche per effettivamente “scrivere” il DNA. I ricercatori sono stati come degli autori; hanno iniziato scrivendo frasi brevi, o sequenze del codice genetico, che ben presto diventarono paragrafi e romanzi veri e propri scritti in codice genetico, per creare importanti comandi biologici per le proteine e cellule viventi. Le cellule viventi sono le macchine più efficienti della natura. Da sole occupano il 25% della produzione del mercato farmaceutico totale, il quale ammonta a miliardi di dollari. Saper scrivere il DNA avrebbe dato un ulteriore impulso a questa bioeconomia, non appena si avrebbe saputo programmare cellule come dei computer. Veniva da sé che la capacità di scrivere il DNA avrebbe consentito il “teletrasporto biologico”, la stampa di un materiale biologico definito, iniziando dal codice genetico.

Il primo passo è stato quello di creare, per la prima volta, una cellula batterica sintetica, partendo da un codice genetico inserito in un computer. Il DNA sintetico è un prodotto. Si possono ordinare brevi sequenze di DNA da parte di numerose imprese, le quali useranno cinque prodotti chimici di cui è costituito il DNA stesso cioè Guanina, Adenina, Timina, Citosina ed Uracile, e costruiranno quelle brevi sequenze di DNA per chi glielo richiede. Negli ultimi 15 anni, le imprese farmaceutiche hanno sviluppato la tecnologia per cucire insieme quelle brevi sequenze di DNA in genomi batterici completi. Il genoma più grande mai realizzato conteneva oltre un milione di lettere (più del doppio di un tipico romanzo), e abbiamo dovuto sistemare ogni singola lettera nell'ordine corretto, senza neanche un errore. Sono state in grado di realizzare ciò grazie ad una procedura chiamata "metodo isotermico unifase di ricombinazione in vitro”, anche noto come “Gibson Assembly” dal nome dello scopritore Dan Gibson. Il “Gibson Assembly” è ora il metodo standard, usato nei laboratori in tutto il mondo per creare sequenze brevi e lunghe di DNA.

Dopo aver sintetizzato chimicamente un genoma batterico completo, la sfida successiva era quella di trovare un modo per convertirlo in una cellula vivente e auto-replicante. È bastato pensare al genoma come al sistema operativo della cellula, con quest'ultima contenente l'hardware necessario per avviare il genoma (o il “programma” di auto-replicazione). Attraverso numerosi tentativi ed errori, si è potuto sviluppare una procedura dove è possibile riprogrammare cellule e persino convertirle da una specie batterica all'altra, sostituendo il genoma di una cellula con quello di un'altra (cioè ottenere una cellula diversa da quella d’origine). Questa tecnologia di trapianto del genoma ha poi aperto la strada ai genomi scritti da scienziati e non da Madre Natura. Nel 2010, tutte queste tecnologie sviluppate per leggere e scrivere il DNA si sono combinate quando è stata annunciata la creazione della prima cellula sintetica.

A partire dalla creazione del primo genoma batterico, nel 1995, altre migliaia di genomi batterici sono stati creati e conservati in banche dati informatiche. La cosa incredibile è stata la dimostrazione di fattibilità del processo inverso: prendere una sequenza completa di genoma batterico dal computer e convertire quell'informazione in una cellula vivente e auto-replicante, con tutte le caratteristiche previste della specie creata. Questa nuova tecnologia si pensa darà spinta alla prossima rivoluzione industriale e trasformerà le industrie e le economie in modo da affrontare le sfide della sostenibilità globale. Ci sono veramente infinite possibilità: basti pensare a vestiti composti da materiali a base biologica e rinnovabile, macchine che usano biocarburante progettato da microbi, plastica composta da polimeri biodegradabili e terapie su misura, stampate al direttamente dal paziente.

Grazie alla solidità di queste tecnologie, è stato possibile automatizzare i processi e spostare il flusso di lavoro dagli scienziati ai computer. Nel 2013, è stata costruita la prima stampante genetica chiamata BioXp. È stato poco dopo aver realizzato BioXp che la Novartis ricevette una e-mail riguardo la paura dell'influenza aviaria in Cina. Un team di scienziati cinesi aveva già separato il virus, creato e caricato la sequenza genetica su internet. Su richiesta del governo USA, la Novartis, ha scaricato quella sequenza e, in meno di 12 ore, sono riusciti a stamparla usando BioXp. Successivamente, trasformarono il DNA sintetico in un vaccino. Nel frattempo, il Centro per la Prevenzione e il Controllo delle Malattie (CDC), usando la tecnologia risalente al 1940, stava ancora aspettando l'arrivo del virus dalla Cina così da poter iniziare il loro approccio basato sulle uova. Per la prima volta, è stato sviluppato un vaccino in tempo per una nuova e potenzialmente pericolosa forma di influenza e prima che l’epidemia si espandesse senza controllo.

Con questo a mente, la Novartis, iniziò a costruire il primo teletrasporto biologico, il DBC, cioè il “convertitore da digitale a biologico”. Il DBC inizia con il codice genetico digitalizzato (il “romanzo cellulare”) e lo converte in vere e proprie entità biologiche, come il DNA, RNA, proteine e virus.

Metaforicamente la BioXp è come un lettore DVD, che richiede di inserire un DVD concreto, il genoma, per poter essere “proiettato”. Mentre il DBC è come un sito di streaming dove, per poter vedere un film basta cliccare su un’icona. Per costruire il DBC, un team di biologi e genetisti ha lavorato con ingegneri di software per richiudere molteplici flussi di lavoro in una singola macchina. Ciò include gli algoritmi del software per prevedere quale DNA costruire, la chimica per collegare Guanina, Adenina, Timina e Citosina costruendo prima le sequenze genetiche brevi, il Gibson Assembly per cucire insieme quelle sequenze brevi in sequenze lunghe, e la biologia per convertire il DNA in entità biologiche sempre più complesse, come le proteine.

Questa tecnologia ha creato e crea medicine terapeutiche e vaccini. E i flussi di lavoro che una volta richiedevano settimane o mesi ora possono essere svolte in pochi giorni. Tutto questo senza alcun intervento umano, attivato semplicemente dalla ricevuta di una e-mail che potrebbe essere spedita da qualsiasi parte del mondo. Ma i ricercatori non si sono fermati qui, stanno lavorando per ridurre la grandezza del DBC, più attendibile, economica, veloce e precisa. La precisione è estremamente importante quando si sintetizza il DNA, perché una singola modifica a una lettera del DNA potrebbe fare differenza tra il successo e il fallimento o la vita o la morte della cellula sintetica.

Il DBC sarà utile per distribuire la produzione di medicine partendo dal DNA. Ogni ospedale nel mondo potrebbe usare il DBC per stampare medicine su misura per i propri pazienti ricoverati. Si può anche immaginare un giorno dove sarà routine per le persone avere un DBC e connetterlo al computer o allo smartphone come mezzo per scaricare prescrizioni, come l'insulina per i diabetici o terapie con anticorpi per gli immunodepressi. Il DBC potrebbe anche essere situato in aree strategiche nel mondo, come risposta rapida alle epidemie. Per esempio, il CDC in Atlanta potrebbe inviare istruzioni per il vaccino ad un DBC nell'altra parte del mondo, dove il vaccino viene prodotto in prima linea. Il vaccino può anche essere specificamente personalizzato al ceppo influenzale che sta circolando in quell'area locale. Spedire i vaccini tramite un file digitale, invece di fare una riserva da spedire fisicamente, promette di salvare milioni di vite.

Naturalmente, gli impieghi vanno lontani quanto l'immaginazione stessa. Non è difficile immaginare un DBC su un altro pianeta. Gli scienziati sulla terra potrebbero spedire le istruzioni digitali a quel DBC per creare nuove medicine o organismi sintetici che producono ossigeno, cibo, carburante e materiali da costruzione, come mezzo per rendere il pianeta target più abitabile per gli esseri umani.

Con le informazioni digitali che viaggiano alla velocità della luce, ci vorrebbero pochi minuti per inviare quelle informazioni dalla Terra a Marte, ma ci vorrebbero mesi per consegnare fisicamente gli stessi campioni con un'astronave. Per ora, potremmo ritenerci soddisfatti nel trasmettere nuove medicine nel mondo interamente automatizzate e su richiesta, salvando vite da malattie infettive emergenti e stampando medicine per il cancro per chi non ha tempo di aspettare.

A cura di Andrea Radaelli