di Dan Gibson – Bene, prima di tutto, permettetemi di raccontarvi una breve storia. Il 31 marzo 2013, io e il mio team abbiamo ricevuto un’e-mail da un’organizzazione sanitaria internazionale, che ci avvertiva che due uomini erano morti in Cina poco dopo aver contratto l’influenza aviaria H7N9.
Quando il virus ha cominciato a muoversi rapidamente in tutta la Cina, c’erano timori di una pandemia globale. Sebbene esistessero metodi per produrre un vaccino antinfluenzale e impedirne la diffusione, nella migliore delle ipotesi non sarebbe stato disponibile per almeno sei mesi.
Sei mesi erano troppi. Ma come mai così tanto tempo?
Questo perché usiamo un processo per produrre i vaccini sviluppato oltre 70 anni fa e ancora oggi è l’unica opzione.
Il virus dovrebbe essere isolato dai pazienti infetti, confezionato e poi inviato in una struttura dove gli scienziati possano lavorarlo. Si solito lo iniettano nelle uova di pollo e lo lasciano incubare per diverse settimane.
Il mio team ed io abbiamo ricevuto questa e-mail perché avevamo appena inventato una stampante biologica, che avrebbe permesso di scaricare immediatamente le istruzioni del vaccino antinfluenzale da internet e stamparle. Accelerare drasticamente le modalità di produzione dei vaccini antinfluenzali e potenzialmente può salvare migliaia di vite umane.
Sembra incredibile, ma è molto semplice.
Sono un biologo e un ingegnere che costruisce cose dal DNA. Che ci crediate o no, una delle mie cose preferite è smontare il DNA e rimontarlo in modo da poter capire meglio come funziona. Posso modificare e programmare DNA per fare le cose, proprio come si programma un computer. Ma le mie app sono diverse. Creano la vita. Cellule viventi auto-replicanti e cose come vaccini e terapie che funzionano in modi che prima erano impossibili.
Ecco, la stampante biologica sfrutta la nostra capacità di leggere e scrivere DNA e inizia a mettere a fuoco ciò che ci piace chiamare teletrasporto biologico.
Ma cos’è il teletrasporto biologico?
Tutte le funzioni e le caratteristiche di tutte le entità biologiche, compresi i virus e le cellule viventi, sono scritti nel codice del DNA. Se si riesce a leggere e scrivere quel codice di DNA, allora quel codice può essere riscritto a piacimento. Quindi possono essere ricostruiti i DNA dove si vuole. Questo è ciò che intendiamo per teletrasporto biologico.
Per dimostrare questa visione, Craig Venter e Ham Smith (il vincitore della Medaglia Nazionale della Scienza Craig Venter e il premio Nobel Ham Smith) si sono posti l’obiettivo di creare, per la prima volta, una cellula sintetica, partendo dal codice del DNA nel computer.
Ma come è possibile?
A seguito del Progetto Genoma Umano del 2003, che è stato uno sforzo internazionale per identificare il progetto genetico completo di un essere umano, è avvenuta una rivoluzione genomica. Gli scienziati hanno iniziato a padroneggiare le tecniche per la lettura del DNA.
Ma il mio lavoro era molto diverso. Avevo bisogno di padroneggiare le tecniche per scrivere il DNA. Come un autore di un libro, ho iniziato con frasi brevi, poi ho cominciato con interi paragrafi e poi con romanzi di codice del DNA. Scrivevo importanti istruzioni biologiche per le proteine e le cellule viventi.
Giusto per darvi qualche info: le cellule viventi sono le macchine più efficienti della natura per la produzione di nuovi prodotti, che rappresentano la produzione del 25% del mercato farmaceutico totale, che è di miliardi di dollari.
Sapevamo che scrivere DNA avrebbe guidato ancora di più questa bio-economia, una volta che le cellule potevano essere programmate proprio come i computer. Sapevamo anche che scrivere DNA avrebbe permesso il teletrasporto biologico. Come passo verso la realizzazione di queste promesse, il nostro team ha voluto creare, per la prima volta, una cellula batterica sintetica, partendo dal codice del DNA nel computer. Il DNA sintetico è un prodotto di base. È possibile ordinare pezzi molto brevi di DNA da un certo numero di aziende. Vi arrivano queste quattro bottiglie di sostanze chimiche che compongono il DNA, G, A, T e C. Sembra strano ma è cosi.
Negli ultimi 15 anni circa, i miei team hanno sviluppato la tecnologia per cucire insieme quei brevi pezzi di DNA in genomi batterici completi. Il genoma più grande che abbiamo costruito conteneva oltre un milione di lettere. Abbiamo dovuto mettere ogni singola lettera nel giusto ordine. Siamo stati in grado di raggiungere questo obiettivo sviluppando una procedura che ho chiamato: “metodo di ricombinazione isotermica in vitro a un solo stadio”.
Ma, sorprendentemente, alla comunità scientifica non piaceva questo nome tecnicamente accurato e ha deciso di chiamarlo Gibson Assembly.
Gibson Assembly è ora lo strumento utilizzato nei laboratori di tutto il mondo per la costruzione di pezzi corti e lunghi di DNA.
Una volta che abbiamo sintetizzato il genoma batterico completo, la nostra sfida successiva è stata quella di trovare un modo per trasformarlo in una cellula auto-replicante vivente. Attraverso molti tentativi ed errori, abbiamo sviluppato una procedura che ci ha permesso di riprogrammare le cellule e persino di convertire una specie batterica in un’altra. Questa tecnologia di trapianto del genoma ha poi aperto la strada all’avvio di genomi scritti da scienziati e non da Madre Natura.
Nel 2010, abbiamo annunciato la creazione della prima cellula sintetica, che naturalmente abbiamo chiamato Synthia. Da quando è stato sequenziato il primo genoma batterico, nel 1995, altri migliaia di genomi batterici sono stati sequenziati e memorizzati in database informatici. Ora era stato provato che potevamo invertire questo processo: estrarre una sequenza completa del genoma dal computer e convertire queste informazioni in una cellula “vera”, “viva”, con tutte le caratteristiche della specie che abbiamo inserito.
Ora, questo è meraviglioso, ma anche potenzialmente pericoloso. Così prima di portare a termine il primo esperimento, il nostro team ha iniziato a lavorare con il governo per trovare un procedimento sicuro. Uno dei risultati di queste discussioni è stato quello di esaminare tutti gli ordini di DNA di ogni cliente. Tutti gli ordini sospetti sono segnalati all’FBI.
Ora però parliamo dei lati positivi.
Questa tecnologie hanno possibilità infinite. Voglio dire, si può pensare ad abiti costruiti da fonti rinnovabili, automobili che utilizzano biocarburanti provenienti da microbi ingegnerizzati, plastiche realizzate con polimeri biodegradabili e terapie personalizzate, stampate sul lato del letto del paziente.
I massicci sforzi per creare cellule sintetiche ci hanno reso leader mondiali nella scrittura del DNA. Durante tutto il processo, abbiamo trovato il modo di scrivere il DNA più velocemente, con maggiore precisione e affidabilità.
Così nel 2013 abbiamo costruito la prima stampante DNA. Noi lo chiamiamo il BioXp.
E’ stato poco dopo che abbiamo costruito il BioXp che abbiamo ricevuto l’e-mail circa l’influenza aviaria H7N9 in Cina. Un gruppo di scienziati cinesi aveva già isolato il virus, ne aveva sequenziato il DNA e lo aveva caricato su Internet. Su richiesta del governo statunitense, abbiamo scaricato la sequenza del DNA e in meno di 12 ore l’abbiamo stampata su BioXp. Poi si è trasformato quel DNA sintetico in un vaccino antinfluenzale.
Nel frattempo si era seguita anche la procedura standard, che utilizzando una tecnologia risalente agli anni ’40, stava ancora aspettando che il virus arrivasse dalla Cina per poter iniziare il suo approccio basato sulle uova. Per la prima volta, abbiamo avuto un vaccino antinfluenzale sviluppato in anticipo per un nuovo ceppo potenzialmente pericoloso, e il governo degli Stati Uniti ha ordinato una scorta.
Dopo questo successo abbiamo iniziato a costruire un teletrasporto biologico. Noi lo chiamiamo il DBC. Questo è l’abbreviazione di convertitore digitale-biologico. A differenza del BioXp, che parte da brevi pezzi di DNA pre-prodotto, il DBC parte dal codice DNA digitalizzato e converte quel codice DNA in entità biologiche. Si può pensare al BioXp come a un lettore DVD, che richiede l’inserimento di un DVD fisico, mentre il DBC è Netflix, il film è già lì per essere visto.
Una volta costruito il DBC, abbiamo fatto cose prima incredibili. Quello che una volta richiedeva settimane o mesi, poteva ora essere fatto in uno o due giorni. E tutto questo senza alcun intervento umano, semplicemente attivando la ricezione di una e-mail.
Ora stiamo lavorando per ridurre le dimensioni dello strumento e per rendere la tecnologia di base più affidabile, economica, veloce e precisa. L’accuratezza è estremamente importante quando si sintetizza il DNA, perché un singolo cambiamento di una lettera di DNA potrebbe significare la differenza tra un farmaco funzionante o meno.
Il DBC sarà utile per la produzione distribuita della medicina a partire dal DNA. Ogni ospedale del mondo potrebbe utilizzare un DBC per stampare farmaci personalizzati per un paziente. Posso anche immaginare un giorno in cui è di routine per le persone di avere un DBC da collegare al loro computer di casa o smartphone come mezzo per scaricare le loro prescrizioni, come l’insulina o terapie personalizzate.
Non c’è limite alle applicazioni. Presto sarà possibile stampare farmaci personalizzati per qualsiasi malattia, anche per il cancro per coloro che non hanno il tempo di aspettare.
