Quando il fisico Richard Feynman morì nel 1988, lasciò un biglietto sulla lavagna che diceva: "Ciò che non posso creare, non lo capisco". Feynman potrebbe aver riflettuto sulla natura della comprensione scientifica, ma il sentimento riflette anche lo spirito della biologia sintetica. Quel campo scientifico riguarda la decostruzione e la manipolazione precisa dei processi biologici per testare la nostra comprensione di essi.
"Tutti nella biologia sintetica amano quella citazione", ha detto Patrick Shi, biologo di piante sintetiche presso l'Università della California, Berkeley. "È praticamente il principio centrale."
Il nuovo lavoro sulle piante segna un importante progresso verso la realizzazione degli obiettivi più ambiziosi della biologia sintetica. UN studio pubblicato il mese scorso in Scienze ha creato una sorta di circuito genetico nelle radici delle piante, programmando in effetti come crescono. Ricercatori della Stanford University, guidati da Jennifer Brofi, un bioingegnere e Josè Dinneny, un biologo dei sistemi vegetali, ha sviluppato un kit di strumenti genetici per controllare se i sistemi radicali di due specie vegetali sono cresciuti più lateralmente o orizzontalmente e quanto le radici si sono ramificate. Il loro lavoro conferma i modelli genetici di crescita delle piante e mostra per la prima volta che è possibile programmare modelli funzionali dell'attività genica nel tempo in tessuti specifici di organismi complessi.
Il nuovo toolkit genetico dovrebbe essere molto utile per altri biologi sintetici nei loro esperimenti futuri. Tuttavia, i risultati degli esperimenti dei ricercatori non sono stati così semplici come speravano Brophy e i suoi colleghi, mostrando le sfide dell'applicazione di porte logiche digitali a sistemi viventi disordinati.
Ricablaggio della crescita delle radici
Sebbene i biologi sintetici abbiano inserito sistemi di controllo genetico in batteri e cellule complesse in coltura per circa due decenni, problemi tecnici hanno reso molto più difficile per loro farlo con organismi multicellulari complessi come le piante. Quindi, per costruire il loro circuito biologico, Brophy, Dinneny ei loro colleghi hanno assemblato e perfezionato una suite di strumenti molecolari, inclusi frammenti di virus modificati e di batteri che causano tumori nelle piante. I biologi sintetici spesso creano le tecniche e gli elementi genetici di cui hanno bisogno come pezzi unici per organismi ed esperimenti specifici, ma il team di Stanford era più interessato ad assemblare un kit di strumenti generici che potesse essere adattato a diversi organismi secondo necessità.
Con questo toolkit personalizzabile, i ricercatori hanno adattato i circuiti genetici ai loro organismi specifici. In questo caso, hanno utilizzato due organismi modello popolari: Arabidopsis thaliana, un parente delle piante di senape, e Nicotiana Benthamiana, cugino del tabacco.
I ricercatori hanno creato elementi promotori sintetici che, come interruttori on/off, si legherebbero a vari geni mirati coinvolti nella crescita delle radici e li attiverebbero. Hanno quindi collegato questi elementi di controllo tra loro come porte logiche booleane in un circuito programmabile. I controlli hanno consentito ai ricercatori di reclutare le proteine della pianta per guidare - o inibire - la crescita delle radici.
Hanno fatto sì che le piante esprimessero un'ampia gamma di variazioni radicali programmate, da una vasta ragnatela di peli radicali a un singolo, lungo fittone. Il loro obiettivo era dimostrare un controllo flessibile, piuttosto che produrre uno specifico risultato desiderato. "È una prova di concetto", ha detto Olivier Martino, ricercatore presso l'Istituto nazionale di ricerca francese per l'agricoltura, l'alimentazione e l'ambiente che non è stato coinvolto nella nuova ricerca.
Il controllo sulla crescita degli apparati radicali potrebbe essere rivoluzionario per l'agricoltura, specialmente nelle regioni colpite dalla siccità, dove la vita potrebbe diventare più terribile con il cambiamento climatico in corso. Le colture potrebbero essere programmate per far crescere apparati radicali poco profondi per assorbire rapidamente piogge abbondanti ma rare, o per inviare le loro radici verso il basso e tenerle strettamente unite per evitare di violare lo spazio di un vicino.
Le applicazioni non si limitano all'agricoltura. Le piante sono "i chimici della natura", ha detto Martin. "Producono un'incredibile diversità di composti". Sfruttare questa capacità attraverso la biologia sintetica potrebbe consentire ai ricercatori di produrre nuovi farmaci su larga scala.
Combattere l'incoerenza
Ma i frutti della biologia vegetale sintetica non sono ancora pronti per colpire il mercato degli agricoltori o gli scaffali delle farmacie. Anche se la maggior parte delle piante negli esperimenti di Stanford si è comportata secondo la loro programmazione, la loro espressione genica non era così in bianco e nero come speravano i ricercatori. "Anche chiamarlo booleano o digitale è difficile perché gli stati 'off' non sono completamente disattivati e gli stati 'on' sono relativi", ha detto Brophy.
Nelle radici, uno stato "off" era indicato da una calotta radicale completa, uno strato di cellule sulla punta di un viticcio di radice che impedisce un'ulteriore crescita. Gli stati "on" erano semplicemente definiti dalla presenza di una radice o di una rootlet. Ma i ricercatori hanno osservato che alcune radici nello stato "off" hanno sviluppato solo una cappa radicale parziale, sufficiente per fermare la crescita dopo un certo punto, ma non abbastanza per prevenirla del tutto. Queste espressioni aberranti sono emerse più spesso quando il team ha applicato una porta logica sviluppata per il Nicotiana a un Arabidopsis pianta; tendevano a scomparire dopo che il toolkit era stato ottimizzato Arabidopsis geni.
Sebbene questo tipo di espressione parziale si aggiunga alle sfide che la biologia sintetica deve affrontare, Shih ha affermato che potrebbe avere anche dei vantaggi: può rendere le piante soggetti più facili per i test sperimentali rispetto agli animali poiché l'espressione genica parziale negli animali è spesso meno ovvia (e più fatale) .
Devang Mehta, un biologo dei sistemi dell'Università dell'Alberta in Canada che non è stato coinvolto nello studio, definisce la ricerca di Brophy e Dinneny un "grande passo avanti" nella biologia sintetica degli organismi. Tuttavia, avverte che non dovremmo sottovalutare quanto sarà impegnativo il prossimo passo.
"Cose come la logica booleana in particolare sono molto utili in ambienti chiusi, dove puoi davvero controllare le variabili ambientali", ha affermato Mehta. "Questo è molto più difficile da fare in un ambiente naturale."
Questo perché le piante e altri esseri viventi sono altamente reattivi al loro ambiente in modi che i computer non lo sono, il che complica la sfida di programmarli con circuiti genetici affidabili. Brophy li confronta con una calcolatrice, per la quale 2 più 2 fa 4 ogni volta. "Sarebbe problematico se 2 più 2 equivalesse a 3 quando faceva freddo e 5 quando era troppo luminoso", ha detto. Per implementare un circuito genetico booleano in colture come il mais o il grano che crescono in un campo, i biologi sintetici devono escogitare un modo per controllare il clima o, più realisticamente, impedire alle piante di rispondere con la stessa forza al caldo, al freddo e alla pioggia.
"Questa è una limitazione importante su cui il campo deve essere molto in anticipo", ha detto Shih. Vede il lavoro di Brophy e Dinneny come una road map preliminare per affrontare questa sfida. "Ora possiamo vedere quali [strumenti] funzionano e quali no".
Nota dell'editore: come studioso della Facoltà HHMI-Simons, Dinneny ha ricevuto finanziamenti dalla Fondazione Simons, che sostiene anche Quanta, questa rivista editoriale indipendente di giornalismo scientifico.
