Technion e MIT collaborano per trasformare le cellule batteriche in circuiti neurali artificiali viventi. Le applicazioni includono la bioproduzione e le terapie
Riunendo concetti di ingegneria elettrica e strumenti di bioingegneria, gli scienziati del Technion e del MIT hanno collaborato per produrre cellule progettate per calcolare funzioni sofisticate – una sorta di “biocomputer”. Studenti laureati e ricercatori del Technion – Israel Institute of Technology Laboratory for Synthetic Biology & Bioelectronics del professor Ramez Daniel hanno collaborato con il professor Ron Weiss del Massachusetts Institute of Technology per creare “dispositivi” genetici progettati per eseguire calcoli come circuiti neurali artificiali. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati su Nature Communications .
Il materiale genetico è stato inserito nella cellula batterica sotto forma di plasmide: una molecola di DNA relativamente corta che rimane separata dal genoma “naturale” del batterio. I plasmidi esistono anche in natura e svolgono varie funzioni. Il gruppo di ricerca ha progettato la sequenza genetica del plasmide in modo che funzioni come un semplice computer o, più specificamente, come una semplice rete neurale artificiale. Ciò è stato fatto per mezzo di diversi geni sul plasmide che regolano l’attivazione e la disattivazione reciproci in base a stimoli esterni.
Cosa significa che una cella è un circuito? Come può un computer essere biologico?
Al suo livello più elementare, un computer consiste di 0 e 1, di interruttori. Le operazioni vengono eseguite su questi interruttori: sommarli, scegliere il valore massimo o minimo tra di loro, ecc. Le operazioni più avanzate si basano su quelle di base, consentendo a un computer di giocare a scacchi o far volare un razzo sulla luna.
Nei computer elettronici che conosciamo, gli interruttori 0/1 assumono la forma di transistor. Ma anche le nostre cellule sono computer, di tipo diverso. Lì, la presenza o l’assenza di una molecola può agire da interruttore. I geni attivano, innescano o sopprimono altri geni, formando, modificando o rimuovendo molecole. La biologia sintetica mira (tra gli altri obiettivi) a sfruttare questi processi, a sintetizzare gli interruttori e programmare i geni che farebbero svolgere compiti complessi a una cellula batterica. Le cellule sono naturalmente attrezzate per percepire le sostanze chimiche e per produrre molecole organiche. Essere in grado di “informatizzare” questi processi all’interno della cellula potrebbe avere importanti implicazioni per la bioproduzione e avere molteplici applicazioni mediche.
I dottorandi (ora dottori) Luna Rizik e Loai Danial, insieme al Dr. Mouna Habib, sotto la guida del Prof. Ramez Daniel della Facoltà di Ingegneria Biomedica del Technion, e in collaborazione con il Prof. Ron Weiss del Il Synthetic Biology Center, MIT, è stato ispirato dal funzionamento delle reti neurali artificiali. Hanno creato circuiti di calcolo sintetici combinando “parti” genetiche esistenti, o geni ingegnerizzati, in modi nuovi, e hanno implementato concetti dell’elettronica neuromorfica nelle cellule batteriche. Il risultato è stata la creazione di cellule batteriche che possono essere addestrate utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale.
Il gruppo è stato in grado di creare cellule batteriche flessibili che possono essere riprogrammate dinamicamente per passare dalla segnalazione della presenza di almeno una o due sostanze chimiche in esame (vale a dire, le cellule sono state in grado di passare dall’esecuzione delle funzioni OR a quelle AND ). Le cellule che possono cambiare dinamicamente la loro programmazione sono in grado di eseguire diverse operazioni in condizioni diverse. (In effetti, le nostre cellule lo fanno naturalmente.) Essere in grado di creare e controllare questo processo apre la strada a una programmazione più complessa, rendendo le cellule ingegnerizzate adatte a compiti più avanzati. Gli algoritmi di Intelligenza Artificiale hanno permesso agli scienziati di produrre le necessarie modifiche genetiche alle cellule batteriche in tempi e costi significativamente ridotti.
Andando oltre, il gruppo ha fatto uso di un’altra proprietà naturale delle cellule viventi: sono in grado di rispondere ai gradienti. Utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale, il gruppo è riuscito a sfruttare questa capacità naturale per creare un convertitore analogico-digitale, una cella in grado di segnalare se la concentrazione di una particolare molecola è “bassa”, “media” o “alta”. Tale sensore potrebbe essere utilizzato per fornire il corretto dosaggio di farmaci, tra cui l’immunoterapia contro il cancro e i farmaci per il diabete.
Dei ricercatori che lavorano a questo studio, la Dott.ssa Luna Rizik e la Dott.ssa Mouna Habib provengono dal Dipartimento di Ingegneria Biomedica, mentre la Dott.ssa Loai Danial è della Facoltà di Ingegneria Elettrica Andrew ed Erna Viterbi. Sta riunendo i due campi che ha permesso al gruppo di fare i progressi che hanno fatto nel campo della biologia sintetica.
Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dalla Neubauer Family Foundation, dalla Israel Science Foundation (ISF), dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea, dal Centro interdisciplinare Lorry I. Lokey di Technion per le scienze della vita e l’ingegneria e dalla Defense Advanced Research Projects Agency.
