IL PROBLEMA DELLA TECNOLOGIA E DEL DESIGN
I ricercatori possono ora progettare e produrre in serie materiale genetico, una tecnica che ha aiutato a costruire i vaccini mRNA. Cosa potrebbe darci dopo?
Dieci anni fa, quando Emily Leproust era direttrice della ricerca presso il colosso delle scienze della vita Agilent, una coppia di scienziati-ingegneri sulla cinquantina – Bill Banyai e Bill Peck – è venuto da lei con un’idea per un’azienda. I Bills, come furono in seguito soprannominati, erano veterani della biotecnologia. Peck era un ingegnere meccanico con una specializzazione in meccanica dei fluidi; Banyai era un esperto di semiconduttori che aveva lavorato nel campo della genomica dalla metà degli anni 2000, facilitando il passaggio dal sequenziamento Sanger della vecchia scuola, che elabora un singolo frammento di DNA alla volta, al sequenziamento di nuova generazione, che funziona attraverso milioni di frammenti contemporaneamente. Quando la chimica è stata miniaturizzata e inserita in un chip di silicio, la lettura del DNA è diventata veloce, economica e diffusa. I Bills, che si sono incontrati quando Banyai ha assunto Peck per lavorare su un progetto di genomica,
A quel tempo, la sintesi del DNA era un processo lento e difficile. I reagenti – quelle famose basi (A, T, C e G) che compongono il DNA – sono stati pipettati su una piastra di plastica con 96 pozzetti, o pozzetti, ciascuno dei quali conteneva circa 50 microlitri, equivalenti a una goccia di liquido contagocce. “In una piastra a 96 pozzetti, concettualmente quello che devi fare è mettere il liquido, mescolare, aspettare, magari applicare un po’ di calore e poi togliere il liquido”, dice Leproust. I Bills proponevano di mettere questo stesso processo su un chip di silicio che, con lo stesso ingombro di una piastra a 96 pozzetti, sarebbe stato in grado di contenere un milione di minuscoli pozzetti, ciascuno con un volume di 10 picolitri, o meno di un milionesimo della dimensione di un pozzetto da 50 microlitri.
Poiché i pozzetti erano così piccoli, non potevano semplicemente pipettare liquidi al loro interno. Invece, hanno usato quella che era essenzialmente una stampante a getto d’inchiostro per riempirli, distribuendo A, T, C e G piuttosto che inchiostri pigmentati. Un catalizzatore chiamato tetrazolo è stato aggiunto per legare le basi in una sequenza di DNA a singolo filamento; l’ottica avanzata ha reso possibile l’allineamento perfetto. Il risultato fu che invece di produrre 96 pezzi di DNA allo stesso tempo, ora potevano stamparne milioni.
Il concetto era semplice, ma, dice Leproust, “l’ingegneria era difficile”. Quando si sintetizza il DNA, spiega, la resa, o il tasso di successo, diminuisce con ogni base aggiunta. A e T si legano insieme più debolmente di G e C, quindi le sequenze di DNA con un gran numero di A e T consecutivi sono spesso instabili. In generale, più lungo è il tuo filamento di DNA, maggiore è la probabilità di errori. Twist Bioscience, la società fondata da Leproust e dai Bills, sintetizza attualmente i frammenti di DNA più lunghi del settore, fino a 300 coppie di basi. Chiamati oligo, possono quindi essere uniti per formare geni.
Oggi Twist fa pagare nove centesimi a coppia di basi per il DNA, una diminuzione di quasi dieci volte rispetto allo standard del settore di dieci anni fa. Come cliente, puoi visitare il sito web di Twist, caricare un foglio di calcolo con la sequenza del DNA che desideri, selezionare una quantità e pagarla con una carta di credito. Dopo pochi giorni, il DNA viene consegnato alla porta del tuo laboratorio. A quel punto, puoi inserire il DNA sintetico nelle cellule e farle iniziare a produrre, si spera, le molecole bersaglio che il DNA è codificato per produrre. Queste molecole alla fine diventano la base per nuovi farmaci, aromi alimentari, carne finta, fertilizzanti di nuova generazione, prodotti industriali per l’industria petrolifera. Twist è una delle numerose aziende che vendono geni sintetici, scommettendo su un futuro pieno di prodotti bioingegnerizzati con DNA come elementi costitutivi.
In un certo senso, quel futuro è arrivato. La sintesi genica è alla base di due dei più grandi “prodotti” dell’anno passato: i vaccini mRNA di Pfizer e Moderna. Non appena il CDC cinese ha rilasciato per la prima volta la sequenza genomica di SARS-CoV-2 ai database pubblici nel gennaio 2020, le due aziende farmaceutiche sono state in grado di sintetizzare il DNA che corrisponde a un particolare antigene sul virus, chiamato proteina spike. Ciò significava che i loro vaccini – a differenza degli analoghi tradizionali, che insegnano al sistema immunitario a riconoscere un virus introducendo una versione indebolita di esso – potrebbero fornire istruzioni genetiche che spingano il corpo a creare solo la proteina spike, così sarà riconosciuta e attaccata durante un infezione virale vera e propria.
Fino a 10 anni fa, questo sarebbe stato a malapena fattibile. Sarebbe stato difficile per i ricercatori sintetizzare una sequenza di DNA abbastanza lunga da codificare l’intera proteina spike. Ma i progressi tecnici degli ultimi anni hanno permesso agli sviluppatori di vaccini di sintetizzare pezzi molto più lunghi di DNA e RNA a un costo molto più basso, più rapidamente. Abbiamo avuto prototipi di vaccini in poche settimane e colpi d’armi entro l’anno.
Ora le aziende e gli scienziati guardano a un futuro post-Covid in cui la sintesi genica verrà impiegata per affrontare una serie di altri problemi. Se la prima fase della rivoluzione genomica si è concentrata sulla lettura dei geni attraverso il sequenziamento dei geni, la seconda fase riguarda la scrittura dei geni. Crispr, la tecnologia di modifica genetica i cui inventori hanno vinto un premio Nobel l’anno scorso, ha ricevuto molta più attenzione, ma l’ascesa della sintesi genica promette di essere uno sviluppo altrettanto potente. Crispr è come modificare un articolo, permettendoci di apportare modifiche precise al testo in punti specifici; la sintesi genica è come scrivere l’articolo da zero.
Come molte tecnologie nella loro infanzia, la sintesi genica (insieme al campo che ha consentito, la biologia sintetica) ha suscitato una buona dose di speculazioni e attività di avviamento. La maggior parte delle aziende, ad eccezione di quelle che lavorano sul coronavirus, sono in fase sperimentale; le loro applicazioni devono ancora restituire risultati conclusivi. Tuttavia, le possibilità affascinano sia gli investitori che gli scienziati, che si tratti di fabbricare microrganismi per produrre sostanze chimiche industriali o di ingegnerizzare cellule umane per curare disturbi medici. Se anche una piccola percentuale di questi sforzi avrà successo, potrebbe portare a mercati da trilioni di dollari. L’analogia usata frequentemente dai venture capitalist biotech è che siamo nei giorni della biologia sintetica dell’Apple II, con l’equivalente di iMac e iPhone ancora da venire. È un’affermazione grandiosa, ma non plausibile, soprattutto ora che Covid ha testato in battaglia alcune delle tecnologie sottostanti. Il personal computing ha creato le nostre vite digitali; leggere e scrivere il DNA potrebbe significare il controllo su quelli fisici.
Tra gli aforismi della biologia sintetica c’è questo: La natura è la migliore innovatrice . Ad esempio, CaS-9, l’enzima “tagliante” utilizzato in Crispr, era originariamente una difesa che i batteri si sono evoluti per combattere i virus. Ma l’aforisma scivola sul fatto che per la maggior parte della storia umana, anche la natura è stata opaca, richiedendo che l’umanità si imbattesse nelle sue invenzioni del tutto per caso. Penicillina, chinino: molti dei nostri prodotti base nell’armadietto dei medicinali sono stati scoperti lasciando il cibo fuori troppo a lungo o trovando i principi attivi nei rimedi erboristici. Solo dall’avvento della chimica moderna siamo stati in grado di scrivere il tipo di formule comuni in fisica e matematica.
Poi è arrivata la rivoluzione della genomica. La prima fase, segnata da pietre miliari come il sequenziamento del genoma umano e dall’emergere di aziende come 23andMe, si è concentrata sulla lettura dei geni. La seconda fase, appena in corso, riguarda la scrittura dei geni. Ora è possibile prendere la nostra comprensione della biologia molecolare – come il DNA specifica la sequenza dell’RNA, che a sua volta specifica la produzione di proteine - e usare Crispr e la sintesi del DNA per ideare ricette genetiche che producono gli output che vogliamo. Quindi come si presenta in pratica?
Uno dei maggiori clienti di Twist è Ginkgo Bioworks, una società di ingegneria cellulare che è stata quotata in borsa a settembre ea metà novembre è stata valutata 25 miliardi di dollari. Gli uffici principali di Ginkgo occupano un magazzino convertito nel distretto portuale di Boston. Quando ho visitato alcuni mesi fa, Patrick Boyle, un dirigente di Ginkgo, mi ha guidato attraverso le loro cinque “fonderie”, così chiamate per gli impianti di fabbricazione di microchip. Abbiamo superato una macchina che utilizza la tecnologia della microfluidica per mescolare reagenti e cellule e un’altra che utilizza la spettrometria di massa per analizzare rapidamente la composizione chimica dei liquidi.
Per decenni, l’unità di lavoro fondamentale della ricerca biologica è stata l’umile studente universitario, che si sforza di pipettare liquidi, prendere misurazioni, esaminare i risultati e, se fortunato, forse eseguire alcuni esperimenti al mese. Ginkgo, al contrario, ha portato in laboratorio l’efficienza di una catena di montaggio, utilizzando macchine in grado di pipettare, miscelare e analizzare con molta più precisione di qualsiasi essere umano, rendendo quindi possibile eseguire migliaia di esperimenti diversi contemporaneamente.
Ginkgo è un’azienda “piattaforma” – invece di produrre prodotti finali per se stessa, progetta celle per i suoi clienti. Il processo funziona più o meno così: un cliente chiama Ginkgo e dice: “Stiamo cercando di produrre un profumo di rosa per i nostri profumi che sia più economico della distillazione dai fiori”. I designer di Ginkgo esaminano una libreria di geni e selezionano quelli che sono noti da precedenti osservazioni o sequenziamenti per produrre le caratteristiche dell’olio di rosa. Dopo che queste sequenze sono state disposte su un computer, Ginkgo ordina il DNA a Twist o ad altri fornitori, che fanno gran parte della sintesi delle coppie di basi.
Al Ginkgo, il DNA sintetizzato viene quindi inserito in una cellula ospite, forse lievito, che inizia a produrre enzimi e peptidi. Prove ed errori seguono. Forse i risultati della prima sequenza genetica sono troppo floreali, non abbastanza speziati; forse quelli della seconda sequenza genica hanno il profumo giusto, ma le cellule non ne producono abbastanza. Una volta trovato un prototipo efficace, Ginkgo ne aumenta la produzione coltivando il lievito in grandi tini e ottimizzando un processo per estrarre le molecole desiderate dalla zuppa. Ciò che Ginkgo offre è una ricetta e degli ingredienti – il codice genetico vincente, la cellula ospite e le condizioni in cui le cellule devono essere nutrite – che il cliente può quindi utilizzare da solo.
La piattaforma di Ginkgo ha inizialmente attirato clienti nel settore delle fragranze, ma negli ultimi due anni ha collaborato con aziende farmaceutiche per la ricerca di nuove terapie. Uno di questi progetti sta cercando di scoprire la prossima generazione di antibiotici, al fine di contrastare la resistenza agli antibiotici. Lucy Foulston, il cui background è in microbiologia molecolare, sta guidando lo sforzo; Tom Keating, un chimico, sta lavorando con lei. Insieme, hanno evidenziato per me un bellissimo e contorto paradosso: la maggior parte degli antibiotici e la maggior parte delle resistenze agli antibiotici provengono dai batteri stessi. I batteri trasportano frammenti genetici con le istruzioni per produrre molecole antimicrobiche che uccidono altri batteri. Tipicamente hanno anche una capacità di auto-resistenza, in modo che i batteri che producono un particolare antibiotico evitino di uccidersi,
Storicamente, sono state prese due strade per trovare nuovi antibiotici. Il primo, celebrato nelle storie di Alexander Fleming e del pane ammuffito, è cercarli nel mondo naturale: gli scienziati escono, ottengono un po’ di terra da un geyser o da una barriera corallina, mettono quello che trovano in una capsula di Petri e vedono se uccide tutti i batteri interessanti. Il secondo approccio consiste nel setacciare le librerie chimiche alla ricerca di molecole che mostrino attività antibatterica. Insieme, questi due approcci ci hanno fornito una fornitura costante di nuovi antibiotici fino agli anni ’80 e ’90, quando le scoperte iniziarono ad esaurirsi.
“C’erano molte speculazioni”, dice Keating. “Abbiamo trovato tutti quelli utili? Abbiamo trovato tutto ciò che era facile da trovare? Ci siamo imbattuti in batteri che ora sono così difficili da uccidere che quelli nuovi che troviamo non funzionano davvero su di loro?” Qualunque sia la ragione, la realtà è che siamo a corto di nuovi antibiotici di fronte alla crescente resistenza agli antibiotici.
Il progetto sugli antibiotici di Ginkgo sta esaminando i genomi batterici alla ricerca di segmenti codificati per generare nuovi antimicrobici. Gli sforzi di sequenziamento degli anni ’90 e 2000 hanno prodotto grandi database di genomi batterici, sia pubblici che privati, che hanno fornito agli scienziati una comprensione sempre più sofisticata di quali geni producono quali molecole. E gli scienziati hanno anche sviluppato le tecniche necessarie per, come dice Foulston, “estrarre questi geni, metterli in un altro ceppo batterico” – uno con cui sanno come lavorare – “e poi persuadere quel particolare ceppo a produrre la molecola di interesse. “
Keating continua: “Non abbiamo più bisogno dell’organismo. Non abbiamo bisogno che cresca su un piatto. Non ci serve per uccidere qualcos’altro. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno è il codice”.
Non importa quante metafore di programmazione usi, il DNA è più disordinato del codice. Se digiti “print ‘hello world'”, ti aspetti che il computer restituisca “hello world”. Se sintetizza una sequenza di DNA, ACTCAG, e la metti in una cellula, potresti essere in grado di prevedere con una certa sicurezza cosa esce dalla cellula, ma non lo sai mai veramente.
Tuttavia, la biotecnologia è arrivata a un nuovo momento singolare, quello in cui software, hardware, scienza dei dati e scienza di laboratorio sono finalmente abbastanza maturi per lavorare insieme e rafforzarsi a vicenda. I vaccini mRNA, che non erano stati approvati dalla Food and Drug Administration prima della pandemia, sono un ottimo esempio; Il progetto sugli antibiotici di Ginkgo è un altro. E ulteriori progressi nell’apprendimento automatico e nella modellazione al computer non faranno che moltiplicare le possibilità. Lo stesso vale per i semiconduttori: per quanto piccolo possa sembrare uno dei pozzi da 10 picolitri di Twist, Leproust sottolinea che dal punto di vista dell’industria dei semiconduttori del 21° secolo, è “un Grand Canyon, quasi come essere nell’età della pietra”. L’azienda sta già sperimentando chip i cui pozzi sono più di 300 volte più piccoli, con diametri di 150 nanometri. (Per riferimento,
Per la biologia sintetica, la prossima frontiera è andare dove nemmeno la natura è andata. Invece di cercare di replicare il profumo di una rosa, possiamo combinare i geni per produrre aromi ancora più inebrianti? Possiamo trasformare il DNA in circuiti che consentono alle cellule di agire come computer viventi? “Finora, stiamo solo prendendo ciò che la natura ha già inventato, copiandolo, forse ottimizzandolo”, afferma Keating. Ma aspira al tipo di comando e potere creativo ora di cui godono i chimici, che possono sintetizzare tutto ciò che può essere diagrammato. “Penso che stiamo solo grattando la superficie è, possiamo programmare la biologia per fare ciò che i chimici hanno fatto tradizionalmente”, dice. “Se puoi disegnare una molecola su un pezzo di carta, possiamo ingegnerizzare un organismo per produrre quella molecola, anche se è qualcosa che la natura non ha mai visto prima? Non siamo neanche lontanamente vicini a questo, ma, sai, piccoli passi”.
Yiren Lu è uno scrittore e ingegnere del software con sede a New York. Ha scritto l’ultima volta per la rivista sulle start-up che cercano di fissare incontri virtuali.
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