La prossima rivoluzione del software: programmare cellule biologiche

Le cellule dei nostri corpi sono come il software di un computer: sono "programmate" per svolgere determinate funzioni in determinati momenti. Come ci spiega la biologa computazionale Sara-Jane Dunn, capire meglio questo processo ci permetterebbe di acquisire la capacità di riprogrammare le cellule. In una conferenza che parla di scienza all'avanguardia, Dunn ci spiega come il suo team stia studiando le cellule staminali embrionali per comprendere maggiormente il funzionamento dei programmi biologici alla base della vita e per sviluppare un "software vivente" in grado di trasformare gli ambiti della medicina, dell'agricoltura e dell'energia.

La seconda metà del secolo scorso
è stata completamente caratterizzata

da una rivoluzione tecnologica:

la rivoluzione del software.

La capacità di programmare gli elettroni
su un materiale chiamato silicio

ha reso possibile la creazione
di tecnologie, società e industrie

fino ad allora inimmaginabili
per molti di noi,

ma che hanno intrinsecamente cambiato
il funzionamento del mondo.

Tuttavia, la prima metà di questo secolo

sarà trasformata da una nuova
rivoluzione del software:

la rivoluzione del software vivente,

che sarà resa possibile dalla capacità
di programmare la biochimica

su un materiale chiamato biologia.

Questa capacità ci permetterà di sfruttare
le proprietà della biologia

per creare nuovi tipi di terapie,

riparare tessuti danneggiati,

riprogrammare cellule difettose

o persino realizzare sistemi operativi
programmabili basati sulla biochimica.

Se riusciremo a fare tutto ciò
- e davvero ne abbiamo bisogno -

l'impatto sarà tale,

da far impallidire al confronto
la prima rivoluzione del software.

Un software vivente, infatti,
trasformerebbe del tutto la medicina,

l'agricoltura e l'energia,

settori che sovrastano
quelli dominati dall'IT.

Pensate a piante programmabili
che fissano l'azoto in modo più efficace,

o resistono all'attacco
di patogeni fungini,

oppure a coltivazioni programmate
per essere perenni invece che annuali

in modo da raddoppiarne la resa ogni anno.

Tutto ciò trasformerebbe l'agricoltura

e il nostro modo di nutrire
la crescente popolazione globale.

Pensate anche alla possibilità
di programmare l'immunità,

grazie a dispositivi molecolari progettati
per permettere al sistema immunitario

di individuare, eliminare
o anche prevenire le malattie.

Questo trasformerebbe la medicina

e il modo di curare una popolazione
sempre più vasta e anziana.

Abbiamo già molti degli strumenti
necessari a creare il software vivente.

Possiamo modificare i geni
con precisione grazie ai CRISPR.

Possiamo riscrivere il codice genetico
base dopo base.

Possiamo persino creare circuiti sintetici
funzionanti, partendo dal DNA.

Capire come e quando utilizzare
questi strumenti, però,

è ancora un processo fatto
di tentativi ed errori.

Servono competenze elevate,
anni di specializzazione.

Inoltre, elaborare protocolli
sperimentali è difficile,

così come, molto spesso, replicarli.

Sapete, in biologia tendiamo
a focalizzarci molto sulle parti,

ma sappiamo tutti che non si può
comprendere il volo, ad esempio,

studiando solo le penne.

Programmare la biologia non è quindi
semplice come programmare un computer.

Inoltre, come se non bastasse,

i sistemi viventi assomigliano
ben poco ai sistemi artificiali

che programmiamo ogni giorno.

A differenza di quelli artificiali,
i sistemi viventi si auto-generano,

si auto-organizzano,

operano su scala molecolare

e queste interazioni a livello molecolare

hanno di solito un grande impatto
su macroscala.

Riescono persino ad auto-ripararsi.

Prendete, ad esempio, le comuni
piante da appartamento,

tipo quella sul vostro caminetto a casa

che dimenticate sempre di annaffiare.

Ogni giorno, nonostante la trascuriate,
quella pianta si deve svegliare

e decidere come impiegare
le proprie risorse:

per la crescita, la fotosintesi,
per la produzione di semi o fiori?

È una decisione che riguarda
tutto l'organismo,

ma la pianta non ha un cervello
per gestire il tutto.

Deve accontentarsi delle cellule
sulle sue foglie,

che devono reagire
all'ambiente circostante

e prendere decisioni
che riguardano l'intera pianta.

Deve quindi esserci una sorta di programma
attivo dentro quelle cellule

che risponde ai segnali d'ingresso
e agli stimoli

e che ne determina il comportamento.

Quei programmi devono poi operare
in maniera distribuita

tra tutte le singole cellule,

affinché si possano coordinare
per far crescere e prosperare la pianta.

Comprendere questi programmi biologici,

comprendere la computazione biologica,

ci aiuterebbe a capire come e perché

le cellule fanno ciò che fanno.

Grazie alla comprensione
di questi programmi

potremmo fare il debugging
quando le cose vanno male

o prenderli ad esempio
per progettare circuiti artificiali

che sfruttano davvero il potere
computazionale della biochimica.

L'entusiasmo per questa idea
mi ha portato a fare ricerca

in un ambito che collega matematica,
informatica e biologia.

Il mio lavoro si concentra sull'idea
di biologia come computazione.

Mi chiedo come operano le cellule

e come possiamo individuare
questi programmi biologici.

Ho iniziato a farlo assieme
ad un brillante team di collaboratori

al laboratorio Microsoft Research
dell'Università di Cambridge,

dove volevamo comprendere

il programma biologico che fa funzionare
un tipo speciale di cellule:

le cellule staminali embrionali.

Queste cellule sono uniche
perché sono ancora indifferenziate.

Possono diventare qualsiasi cosa vogliano:

cellule cerebrali, cardiache,
ossee, polmonari,

ogni tipo di cellula adulta.

La loro indifferenziazione
le rende uniche

e accende l'immaginazione
della comunità scientifica,

che ha capito come quel potenziale

potrebbe fornire alla medicina
uno strumento potente.

Se riuscissimo a capire
come quelle cellule decidano

di diventare un tipo di cellula
e non un altro,

potremmo utilizzarle

per ottenere cellule necessarie alla cura
di tessuti ammalati o danneggiati.

Realizzare quest'idea non è semplice,

soprattutto perché
queste particolari cellule

compaiono appena sei giorni
dopo il concepimento

e spariscono dopo circa un giorno,

quando prendono strade diverse

per formare tutte le strutture
e gli organi del corpo adulto.

Tuttavia, si è scoperto che il destino
delle cellule è molto più duttile

di quanto si pensasse.

Circa 13 anni fa, alcuni scienziati
hanno mostrato qualcosa di rivoluzionario:

inserendo una manciata di geni
in una cellula adulta,

ad esempio una cellula della pelle,

si può riportare quella cellula
allo stato indifferenziato.

Questo processo, detto "riprogrammazione",

ci permette di immaginare un futuro
in cui sia possibile

prendere delle cellule staminali
di un paziente,

riportarle allo stato indifferenziato

e utilizzarle per generare le cellule
necessarie al paziente,

siano esse cerebrali o cardiache.

Da circa 10 anni a questa parte, però,

trovare il modo di cambiare
il destino delle cellule

significa procedere
per tentativi ed errori.

Anche i protocolli sperimentali
che siamo riusciti a identificare

risultano ancora inefficienti

e fondamentalmente non sappiamo ancora
come e perché funzionino.

Sapere come trasformare una cellula
staminale in una cardiaca

non significa sapere come trasformare
una cellula staminale

in una cellula cerebrale.

Volevamo quindi capire
il programma biologico

attivo all'interno delle cellule
staminali embrionali

e per comprendere la computazione
di un sistema vivente

si inizia da una domanda
incredibilmente semplice:

Qual è, di fatto, il compito
di quel sistema?

La scienza informatica ha delle strategie

per gestire ciò che software
e hardware devono fare.

Quando si scrive un programma,
si codifica del software,

si vuole che esso funzioni correttamente.

Si cercano prestazioni e funzionalità.

Si vogliono evitare i bug,

perché possono costare caro.

Così, il programmatore

potrebbe elaborare
una serie di specifiche

che dicono al programma cosa fare.

Per esempio confrontare
le dimensioni di numeri

oppure ordinarli in ordine crescente.

Abbiamo la tecnologia che ci permette
di controllare automaticamente

se le specifiche vengono rispettate

e il programma fa ciò che deve.

Noi pensavamo, quindi,
che allo stesso modo

le osservazioni sperimentali,
ciò che misuriamo in laboratorio,

corrispondesse alle specifiche
che regolano il programma biologico.

Dovremmo dunque solo trovare il modo

di codificare questo nuovo
tipo di specifiche.

Supponiamo che analizzando
i geni in laboratorio

abbiamo visto che se il Gene A è attivo,

sembrano esserlo anche
il Gene B o il Gene C.

Possiamo trascrivere quell'osservazione
come espressione matematica

usando il linguaggio della logica:

Se A, allora B o C.

È un esempio molto semplice, sì,

ma serve ad illustrare il concetto.

Possiamo codificare espressioni
realmente complesse

che riflettano davvero il comportamento
di molteplici geni o proteine nel tempo

osservato in diversi
e molteplici esperimenti.

Traducendo le nostre osservazioni

in espressioni matematiche in questo modo,

risulta possibile verificare
se quelle osservazioni emergono

da un programma di interazioni genetiche.

Per fare ciò,
abbiamo sviluppato uno strumento

e siamo stati in grado di usarlo
per codificare osservazioni

come espressioni matematiche

per poi riuscire eventualmente
a scoprire il programma genetico

che sta alla loro base.

In seguito, potremmo usare questo sistema

per individuare il programma genetico
delle cellule staminali embrionali

e cercare di capire come indurre
il loro stato indifferenziato.

Questo strumento è stato realizzato

su un solutore utilizzato comunemente
in tutto il mondo

per la normale verifica di software.

Abbiamo iniziato con un gruppo
di quasi 50 specifiche diverse

generate dall'osservazione sperimentale
di cellule staminali embrionali.

Codificando quelle osservazioni
in questo strumento,

siamo riusciti a scoprire
il primo programma molecolare

che potrebbe spiegarle tutte.

È già di per sé un gran risultato, vero?

Riuscire a dare un senso
a tutte le diverse osservazioni

non è una cosa che si può fare così,
su due piedi,

neppure se si tratta di piedi grandi.

Grazie a questo tipo di conoscenza,
potremmo andare oltre

e usare questo programma
per predire il comportamento cellulare

in condizioni mai testate prima.

Potremmo testare il programma in silico.

In effetti, l'abbiamo fatto:

abbiamo generato previsioni
per poi testarle in laboratorio

e abbiamo scoperto che questo programma
è altamente predittivo.

Ci ha mostrato come potevamo
accelerare il ritorno

allo stato ingenuo in modo
veloce ed efficiente.

Ci ha mostrato quali geni selezionare
per farlo

e quali potrebbero invece
ostacolare il processo.

Abbiamo visto che il programma indicava
persino l'ordine di attivazione dei geni.

Questo metodo ci permetteva quindi
di far luce sulle dinamiche

del funzionamento cellulare.

Questo metodo non è specifico
per la biologia delle cellule staminali,

ma ci permette di comprendere
la computazione attuata dalle cellule

nel contesto delle interazioni genetiche.

Si tratta quindi di un primo passo.

In questo campo servono nuove strategie

per comprendere la computazione biologica

più a fondo e su più livelli,

dal DNA fino al flusso di informazioni
fra le cellule.

Solo questa comprensione rivoluzionaria

ci permetterà di utilizzare la biologia
in modi prevedibili ed affidabili.

Tuttavia, per poter programmare
la biologia dovremo anche sviluppare

strumenti e linguaggi tali

da permettere a scienziati
sperimentali e computazionali

di progettare la funzione biologica

fino al livello del codice macchina
della cellula,

la sua biochimica,

in modo da permetterci
di costruire quelle strutture.

Si tratta di una sorta di compilatore
di software vivente

e sono orgogliosa di far parte
di un team Microsoft

che lavora per svilupparne uno.

Dire che si tratta di una grande sfida
è una sorta di eufemismo,

ma riuscirci,

permetterebbe il collegamento finale
tra software e wetware.

Più in generale, programmare la biologia
sarà possibile solo

se renderemo il suo ambito
realmente interdisciplinare.

Dobbiamo collegare le scienze fisiche
e quelle umane.

Gli scienziati di ciascuna
di quelle discipline

devono poter collaborare
grazie a linguaggi comuni

e condividere gli scopi della ricerca.

Alla lunga, conviene ricordare
che molti giganti informatici

e gran parte delle tecnologie
che usiamo ogni giorno

non erano neppure immaginabili

agli albori della programmazione
su microchip in silicio.

Se pensiamo ai potenziali
sviluppi tecnologici

legati alla biologia computazionale,

individueremo anche i passi necessari

per renderla una realtà.

Ora, preoccupa l'idea
che questo tipo di tecnologia

potrebbe essere usata impropriamente.

Se vogliamo occuparci della possibilità

di programmare cellule immunitarie,

dobbiamo anche pensare
alla possibilità di batteri

progettati per aggirarle.

Ci potrebbe essere qualcuno
disposto a farlo.

Un dato rassicurante -

beh, non tanto per gli scienziati -

è che la biologia è un campo delicato
in cui lavorare.

Programmarla non è qualcosa

che si può fare in cantina.

Poiché siamo agli inizi

dobbiamo procedere tenendo
gli occhi bene aperti.

Possiamo porci direttamente il problema,

approntare le necessarie difese

e pensare, nel contempo,
alle questioni etiche.

Dovremo pensare di porre
dei limiti all'utilizzo

della funzione biologica.

In quest'ottica, la ricerca in ambito
di bioetica dovrà essere prioritaria.

Non può essere relegata
ad un ruolo di secondo piano

a fronte dell'entusiasmo
per l'innovazione scientifica.

Il risultato più grande,
l'obiettivo finale di questo percorso

sarebbero applicazioni e industrie
all'avanguardia

in ambiti che spaziano tra agricoltura,
medicina, energia, materiali

e persino la stessa elaborazione dati.

Pensate, un giorno potremmo dare energia
al pianeta in modo sostenibile

grazie alla migliore energia verde,

se riuscissimo a riprodurre
ciò che le piante fanno da millenni:

come utilizzare l'energia solare
con un'efficienza

che è fuori dalla portata
dai pannelli fotovoltaici di oggi.

Se riuscissimo a capire
le interazioni quantistiche

usate dalle piante per assorbire
la luce solare in modo così efficiente,

potremmo usare quella conoscenza
per creare circuiti sintetici di DNA

che sarebbero un materiale per creare
pannelli fotovoltaici migliori.

In questo momento ci sono gruppi
di scienziati che se ne occupano,

quindi, con la giusta attenzione
e i giusti investimenti

potrebbero essere realizzati
in 10 o 15 anni.

Siamo dunque all'inizio
di una rivoluzione tecnologica.

Comprendere questa forma antica
di computazione biologica

rappresenta il primo importante passo.

Se riusciremo a farlo,

entreremo nell'era di un sistema operativo

che gestisce software vivente.

Grazie mille.

(Applausi)