Sviluppato il primo batterio cyborg

I ricercatori del Dipartimento biosistemi e ingegneria (D-BSSE) dell'ETH di Zurigo a Basilea hanno creato un cyborg - un ibrido tra un organismo vivente e una macchina. La creatura in questione è il batterio coliforme (Escherichia coli),che viene spesso utilizzato nelle ricerche biologiche, mentre la macchina è un computer con una tecnologia di controllo all'avanguardia che regola la crescita del batterio. Gli organismi e la macchina sono collegati da due interfacce: Il computer comunica con luce rossa e verde, che i batteri biotecnologicamente modificati possono percepire. Nella direzione opposta, la comunicazione funziona misurando otticamente il tasso di crescita della coltura batterica. I risultati vengono inseriti nel computer in tempo reale.

Controllo estremamente preciso

Cinque anni fa, i ricercatori e i loro colleghi hanno presentato una semplice prova di concetto per un'interfaccia basata sulla luce tra un computer e una cellula di lievito. Tuttavia, a differenza del sistema attuale, questa interfaccia non funzionava ancora in modo completamente automatico. "Inoltre, per la prima volta stiamo regolando la crescita dei microrganismi in modo molto preciso e finemente sintonizzabile", spiega Mustafa Khammash, professore di Teoria del controllo e biologia dei sistemi. Utilizzando il controllo computerizzato, gli scienziati possono influenzare la coltura batterica in modo che cresca esattamente secondo una curva predeterminata.

Il nuovo sistema è anche estremamente affidabile e robusto. Gli scienziati hanno testato la reazione dei batteri cyborg a improvvisi disturbi esterni. Ad esempio, hanno modificato la composizione dei nutrienti della coltura batterica o la temperatura dell'esperimento. Il sistema è stato in grado di adattarsi molto bene a tali disturbi. "Tutto questo è possibile solo perché per il sistema di controllo utilizziamo algoritmi all'avanguardia, basati sul feedback, utilizzati anche negli aerei commerciali, ad esempio per mantenere stabile l'altitudine di volo", spiega Khammash.

"Occhi" per i batteri

Affinché i batteri coliformi possano essere controllati dalla luce, i ricercatori hanno dovuto modificare biotecnologicamente i microrganismi. Hanno utilizzato un ceppo batterico il cui blueprint contiene, tra gli altri, geni di cianobatteri. I cianobatteri possono adattare il loro metabolismo alla luce e, come le piante, utilizzare l'energia della luce. Nei batteri coli, i bioingegneri di Basilea hanno accoppiato i sistemi genetici di misurazione della luce dei cianobatteri con la regolazione cellulare di un enzima che produce l'amminoacido metionina, essenziale per la crescita batterica.

Se il computer di controllo illumina la coltura di batteri coliformi con luce rossa, i batteri smettono di produrre metionina e quindi crescono meno rapidamente. L'illuminazione con luce verde, invece, stimola la produzione di metionina e quindi la crescita.

Regolazione e sistemi biologici

Il professor Khammash dell'ETH si è inizialmente specializzato in ingegneria del controllo. Ora lavora nel campo della biologia dei sistemi e della biologia sintetica. La sua domanda di ricerca più importante si trova all'intersezione di queste discipline: ? possibile progettare l'ingegneria di controllo per i sistemi biologici dalle fondamenta? Egli chiama questo campo di ricerca cybergenetica.

"Da un lato, come nel caso di questo studio, i microrganismi possono essere controllati dall'esterno tramite un computer, il che richiede un'interfaccia tra il computer e l'organismo biologico. Ciò presuppone un'interfaccia tra il computer e l'organismo biologico. Anche se attualmente le possibilità di comunicazione attraverso tale interfaccia sono ancora piuttosto modeste, questo approccio presenta un grande vantaggio: grazie a un programma informatico esterno, è possibile utilizzare potenti algoritmi di controllo. Inoltre, il programma può adattarsi alla domanda molto rapidamente.

In un secondo approccio, gli scienziati - compresi quelli del D-BSSE - stanno cercando di collocare sistemi di controllo artificiali all'interno delle cellule, sistemi con componenti molecolari e biochimici. "A mio parere, il controllo interno delle cellule è più adatto a lungo termine per le applicazioni terapeutiche, ad esempio nella terapia cellulare. Questo perché funziona in modo autonomo senza hardware aggiuntivo", afferma Khammash. "Per la produzione biotecnologica di molecole in un bioreattore, invece, il controllo esterno tramite un'interfaccia come quella che abbiamo sviluppato qui è probabilmente più fattibile".

Canali colore aggiuntivi

Finora i ricercatori di Basilea hanno utilizzato i due colori verde e rosso per la loro interfaccia luminosa. Questo permette loro di controllare l'attività di un singolo enzima. "In un ulteriore sviluppo, tuttavia, potremmo anche immaginare sistemi di controllo più complessi con canali luminosi aggiuntivi", afferma Khammash. In questo modo sarebbe possibile regolare più enzimi contemporaneamente". Nella produzione biotecnologica di molecole, il tasso di crescita dei batteri produttori e il tasso di produzione della molecola desiderata potrebbero essere coordinati in modo ottimale. L'obiettivo è ottenere la maggior quantità possibile del prodotto desiderato e il minor numero possibile di sottoprodotti tossici.