Mantenere i sistemi stabili

Il corpo umano fa in modo che la concentrazione di calcio nel sangue rimanga costante. Allo stesso modo, il pilota automatico mantiene un aereo a un'altitudine costante. Questi due esempi presentano delle analogie: Il corpo e il pilota automatico utilizzano sofisticati meccanismi di feedback, detti di integrazione (vedi riquadro). I ricercatori del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea sono riusciti per la prima volta a costruire un ciclo di feedback integrato da zero in una cellula vivente. pagina esternaLa natura rapporto. Con il suo approccio di biologia sintetica, in futuro potrebbe essere possibile ottimizzare i processi di produzione biotecnologica e aiutare i pazienti con disturbi ormonali attraverso la terapia cellulare.

Costante nonostante le influenze ambientali

Le prime forme tecniche di integrazione dei sistemi di controllo a retroazione sono state sviluppate oltre cento anni fa dagli ingegneri navali per automatizzare i sistemi di controllo delle navi. Da allora, questo principio di controllo è stato utilizzato ovunque sia necessario mantenere costante e stabile una direzione, una temperatura, una velocità o un'altitudine rispetto alle influenze esterne. La particolarità del controllo integrativo è che le correzioni corrispondenti dipendono sia dall'altezza che dalla durata della deviazione dal valore desiderato.

Anche in biologia si sono sviluppati meccanismi nel corso dell'evoluzione, ad esempio per mantenere costante la concentrazione di sostanze nel sangue. Alcuni anni fa, i ricercatori guidati da Mustafa Khammash, professore presso il Dipartimento biosistemi, hanno dimostrato che anche questi sono circuiti di controllo integrati. "Questi circuiti di controllo integrati sono estremamente resistenti alle influenze ambientali impreviste", spiega l'ETH. "Questo può spiegare perché il principio ha prevalso nell'evoluzione e perché è così spesso utilizzato nella tecnologia".

Interazione tra due molecole

Khammash e il suo team interdisciplinare di teorici del controllo, matematici e biologi sono riusciti a costruire per la prima volta un anello di controllo a feedback integrato come una rete genica sintetica in un batterio. Il meccanismo di feedback si basa su due molecole - A e B - che si legano l'una all'altra e vengono così inattivate. Queste due molecole sono in grado di mantenere costante la concentrazione di una terza molecola, C: Il sistema è strutturato in modo tale che la molecola B favorisca la produzione di C e che il tasso di produzione di A dipenda dalla concentrazione di C. Il circuito di retroazione: se è presente molto C, viene prodotto più A e quindi viene inattivato più B, il che significa che viene prodotto meno C.

Nell'ambito di una prova di concetto, gli scienziati dell'ETH hanno utilizzato questo principio per controllare la produzione di una proteina verde fluorescente introdotta nei batteri coli. Grazie al ciclo di controllo a feedback, i batteri hanno prodotto costantemente la stessa quantità di colorante fluorescente, anche quando gli scienziati hanno cercato di smorzare la produzione del colorante con inibitori a scopo di test. In un secondo esperimento, i ricercatori sono riusciti a produrre una popolazione batterica che cresceva a un ritmo costante, anche quando gli scienziati hanno cercato di interrompere la crescita a scopo di test.

Migliorare le biotecnologie e le terapie

Il nuovo meccanismo di controllo potrebbe un giorno essere utilizzato in biotecnologia per i batteri utilizzati per produrre vitamine, farmaci, sostanze chimiche o biocarburanti. Il meccanismo potrebbe essere utilizzato per mantenere costante il tasso di produzione dei batteri a un livello ottimale.

Gli scienziati dell'ETH stanno ora lavorando allo sviluppo di un meccanismo di regolazione analogo per le cellule dei mammiferi, che potrebbe consentire ulteriori applicazioni. Tra queste, cellule di design con reti genetiche che producono ormoni nel corpo dei pazienti. Le persone affette da diabete o ipotiroidismo, ad esempio, potrebbero trarne beneficio. I circuiti regolatori sintetici potrebbero essere utilizzati anche per migliorare l'immunoterapia del cancro. "In questa forma di terapia, le cellule immunitarie devono essere sufficientemente attive per combattere il tumore, ma non iperattive, il che danneggerebbe i tessuti sani", spiega Khammash. "Con un meccanismo come il nostro, è possibile regolare con precisione l'attività".