La nuova missione per controllare l'evoluzione | Rivista Quanti

L’evoluzione è una cosa complicata. Gran parte della moderna biologia evoluzionistica cerca di conciliare l’apparente casualità delle forze dietro il processo – come avvengono le mutazioni, per esempio – con i principi fondamentali che si applicano in tutta la biosfera. Generazioni di biologi sperano di comprendere i meccanismi dell'evoluzione e avere ragioni sufficienti per poter prevedere come avviene.

Ma mentre la previsione rimane un obiettivo meritevole, gli scienziati si stanno ora concentrando sul suo cugino molto più ambizioso: il controllo su come avviene.

Può sembrare fantascienza, ma i più grandi esempi di questo sforzo vivono nel nostro passato. Consideriamo il processo di selezione artificiale, un termine coniato da Charles Darwin: migliaia di anni fa, gli esseri umani iniziarono a identificare piante e animali con tratti preferibili e ad allevarli selettivamente, amplificando questi tratti nella loro prole. Questo approccio ci ha dato l’agricoltura, una delle invenzioni culturali più trasformative della storia umana. Successivamente, la selezione artificiale negli animali e le piante ci hanno aiutato a comprendere la genetica e il modo in cui i geni si evolvono nelle popolazioni. Ma per quanto efficace sia stata, la selezione artificiale è ancora piuttosto limitata.

Ciò è diverso dalla selezione naturale, la forza che guida l’evoluzione adattiva sulla Terra, dove non esiste un attore intenzionale che effettua la selezione. L’attore selezionatore non è un allevatore umano, ma la natura stessa, che seleziona le varianti con la più alta “idoneità” – quelle con la maggiore probabilità di sopravvivere e produrre una prole sana. E quando la natura seleziona, i risultati possono essere difficili da prevedere.

Ora i biologi sperano di dettare il modo in cui avviene l’evoluzione a livello molecolare e di esercitare sul processo riproduttivo lo stesso controllo diretto che esercitiamo sulle colture. Possiamo orchestrare l’evoluzione, mutazione dopo mutazione, verso qualunque risultato preferiamo? 

Sorprendentemente, siamo già a metà strada. IL Premio Nobel 2018 in Chimica lavoro riconosciuto su un metodo chiamato evoluzione diretta, che consente agli scienziati di progettare nuove biomolecole. Una delle vincitrici, Frances Arnold, ha aperto la strada a un modo per mutare le proteine ​​in laboratorio e quindi misurarne la funzionalità, ad esempio la capacità di un enzima di metabolizzare lo zucchero. È quindi possibile isolare le proteine ​​candidate di interesse, mutarle e selezionarle ulteriormente, fino a generare una proteina con una funzione migliorata (in questo caso, un enzima che metabolizza lo zucchero in modo molto efficiente). In questo senso, i chimici operano come allevatori di cani, ma senza fare affidamento sulla riproduzione sessuale per generare la prole proteica. Piuttosto, stanno generando una popolazione diversificata di proteine ​​e misurandone le proprietà in poche ore. E selezionando ciò che vogliono, controllano il modo in cui avviene l’evoluzione.

Da questo esempio diventa chiaro che controllare l’evoluzione – indirizzarla verso determinati risultati – richiede la conoscenza di come avverrà l’evoluzione, insieme alla tecnologia per intervenire. Quindi possiamo pensare al problema attraverso la lente di una semplice equazione: Controllo = previsione + ingegneria.

Questo controllo può essere più sottile dell'approccio di Arnold. Uno uno studio del 2015 ha suggerito di utilizzare gli antibiotici in un certo ordine per allontanare l’evoluzione dalla creazione di agenti patogeni resistenti agli antibiotici. E qualcosa di simile sta accadendo con il trattamento del cancro: gli oncologi stanno cercando di sfruttare la nostra comprensione molecolare del cancro guidare le cellule tumorali verso la suscettibilità a determinati farmaci. Ciò è possibile perché sappiamo che quando una cellula tumorale sviluppa resistenza a un farmaco, potrebbe diventare più suscettibile ad altri. Questa nozione di “sensibilità collaterale” si basa sui principi fondamentali dei compromessi nei sistemi biologici: in generale, non c’è “pasto gratis” nell’evoluzione e l’adattamento spesso comporta dei costi.

In lavori più recenti, gli scienziati hanno generalizzato questi approcci. Utilizzando idee provenienti dalla fisica quantistica, un team multidisciplinare (compresi medici, informatici e fisici) applicato un metodo chiamata guida controdiabatica per spostare le popolazioni verso obiettivi predeterminati. Ad esempio, le infezioni da alcuni ceppi di parassiti della malaria sono più facili da trattare rispetto ad altri. I ricercatori potrebbero provare a “spingere” le popolazioni di parassiti verso i ceppi più facilmente curabili.

Idee simili vengono applicate ad altri sistemi, come il microbioma, dove i biologi evoluzionisti stanno ora utilizzando l’evoluzione diretta per controllare comunità microbiche come quelli che vivono sulla nostra pelle e nel nostro intestino. Per fare ciò, stanno utilizzando la conoscenza di come determinati microbi interagiscono tra loro insieme a nuove tecniche microbiche che ci consentono di introdurre microbi in una popolazione di altri microbi. La speranza è che un giorno potremo utilizzare queste conoscenze per orientare la composizione del microbioma verso un livello associato a migliori risultati di salute.

Queste scoperte dimostrano che, in qualche modo, il controllo evolutivo è una cosa del presente, non del futuro. Ma gli esempi più riusciti si sono verificati in un numero limitato di contesti: microbi, comunità microbiche e proteine. E ancora di più, gli sforzi esistenti si concentrano sul controllo su brevi periodi di tempo: nessuno scienziato ragionevole pretende di essere in grado di controllare l’evoluzione molecolare che agisce nel corso di decenni o secoli (al di fuori della selezione artificiale che ha avuto luogo nel corso di millenni). Il vero controllo sul processo evolutivo rimane strettamente limitato dalle nostre attuali conoscenze e strumenti.

Sebbene le sfide tecniche del controllo evolutivo rimangano sostanziali, anche le barriere etiche sono notevoli. Le questioni si sovrappongono a quelle relative agli organismi geneticamente modificati. Quando progettiamo una mutazione in un ceppo di mais che conferisce la capacità di crescere anche in ambienti stressanti, influenziamo le generazioni future di quel ceppo di mais. Inoltre, selezione dell'embrione negli esseri umani può assomigliare alla selezione artificiale, dandoci la capacità di guidare la comparsa dei tratti umani nelle popolazioni future. In generale, le applicazioni eccessive di queste tecnologie possono essere guidate da una sorta di determinismo genetico: l’idea ingenua secondo cui le differenze significative tra gli organismi all’interno di una popolazione possono essere spiegate (principalmente) dalla loro composizione genetica.

Se mai tentassimo di guidare ingenuamente l’evoluzione degli esseri umani e di altri organismi su un arco temporale più lungo, cadremmo vittime di una sorta di determinismo evoluzionistico, secondo cui possiamo e dovremmo avere il pieno controllo su come la vita si evolverà in futuro. In definitiva, queste ambizioni sono fuori luogo. Sottovalutano il capriccio dell’evoluzione biologica – la difficoltà di considerare tutte le forze che modellano il modo in cui la vita funziona e prospera. Alcuni potrebbero immaginare che l’intelligenza artificiale possa aiutare a risolvere queste incertezze. Ma l’intelligenza artificiale non è una panacea per l’ignoranza. È più efficace quando comprendiamo già i capricci del sistema che stiamo tentando di modellare e prevedere. La biologia evoluzionistica non soddisfa del tutto questo standard, almeno non ancora.

Possiamo (e dovremmo) allo stesso tempo esaltare l’ambizione della biologia moderna e avere la presenza di spirito necessaria per riconoscere i nostri limiti. Ad esempio, il eugenetica movimento ha suggerito che la razza umana potrebbe essere migliorata utilizzando il tipo di metodi che ci hanno dato animali e raccolti addomesticati. Ora capiamo che era bigotto e basato su una cattiva biologia. Esempi come questi sono racconti ammonitori e dovrebbero insegnarci che i tentativi imprudenti di controllare forze tempestose come l’evoluzione sono destinati a fallire.

Quanta sta conducendo una serie di sondaggi per servire meglio il nostro pubblico. Prendi il nostro sondaggio tra i lettori di biologia e potrai partecipare alla vincita gratuita Quanta merce.