Sistemi di biosensori che agiscono come computer naturali per rilevare le malattie
I singoli biosensori rilevano specifici composti biologici o chimici per individuare sostanze che possono indicare problemi di salute o di tipo ambientale. Ma il rilevamento di molteplici biomarcatori mediante un sistema di biosensori può fornire informazioni più complete per la diagnosi delle malattie o per il monitoraggio ambientale. «L’idea era quella di sviluppare nuovi tipi di calcolo utilizzando batteri ingegnerizzati», spiega il coordinatore del progetto Christopher Barnes, docente presso il Dipartimento di Biologia Cellulare ed evolutiva dello University College di Londra, nel Regno Unito. Questi cosiddetti computer biologici elaborano informazioni da più elementi provenienti da batteri ingegnerizzati che utilizzano molecole di segnalazione per comunicare. «Avvalendosi della biologia sintetica, anche nota come biologia ingegneristica, abbiamo inserito geni non nativi nell’E. coli in modo che potessero percepire determinati segnali e inviarsi segnali a vicenda», spiega. I geni sono stati inseriti sui plasmidi. «Si tratta di piccoli pezzi di DNA che progettiamo al computer e inseriamo nelle cellule. Un tipo di cellula agisce come un biosensore: percepisce qualcosa nell’ambiente e produce un segnale di comunicazione.»
Cellule che si illuminano quando interagiscono
Sono stati ingegnerizzati vari tipi di cellule affinché rispondessero al segnale e producessero proteina verde fluorescente (GFP). «Potevamo rappresentare la loro interazione», dice Barnes. «L’aspetto interessante è che possiamo posizionare queste cellule ingegnerizzate in diversi orientamenti o schemi spaziali ed esse eseguono calcoli diversi», aggiunge il ricercatore: «Alcune colonie si accendevano e si spegnevano a seconda della loro posizione reciproca e dei segnali presenti nell’ambiente.» «Se sono presenti determinate combinazioni di segnali in ingresso, le cellule riceventi esprimono la GFP. Abbiamo misurato la risposta GFP di queste cellule sulla piastra di Petri in laboratorio».
Progettazione di biosensori e sistemi
La progettazione di biosensori può essere complicata. Lo si è visto nel progetto DrugSense, finanziato dall’UE, per i sensori di antibiotici, e nel progetto CUSTOM-SENSE che ha sviluppato biosensori su misura. Ma il progetto SynBioBrain, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, si spinge molto più in là, progettando interi sistemi di biosensori. Il team ha ideato un modello matematico per progettare modelli di colonie batteriche che comunicano tra loro. «Non è stato semplice registrare i complessi processi coinvolti nella crescita cellulare e nella diffusione dei nutrienti nei modelli matematici», osserva Barnes, sottolineando che il modello di equazione differenziale parziale sviluppato per il progetto tiene conto anche di aspetti dinamici, quali la crescita cellulare. Un altro problema era far sì che le reti geniche rispondessero con un rapporto segnale/rumore sufficientemente alto. «L’approccio che abbiamo sviluppato è piuttosto sensibile al posizionamento delle colonie. Quindi usiamo un robot per posizionarle», spiega. Questi robot possono essere «rumorosi», quindi l’ulteriore sviluppo si concentrerà su robot migliori e sulla riduzione del numero di batteri in una colonia per rendere questi sistemi più piccoli e più veloci.
Uso dei biosensori in campo diagnostico
Il team ha utilizzato questa tecnica computazionale per sviluppare 10 biosensori in laboratorio, concentrandosi sui biomarcatori per la salute e l’infiammazione dell’intestino. «L’obiettivo è ottenere un sistema di 20 biosensori in grado di diagnosticare le malattie. Scala che non abbiamo ancora raggiunto», aggiunge Barnes. In definitiva, è possibile sviluppare dispositivi in cui i batteri ingegnerizzati si trovano su una superficie solida su cui poi vengono applicati campioni biologici. «Invece di effettuare test basati sugli anticorpi, il dispositivo riconoscerebbe direttamente i segnali dei biosensori dai batteri», spiega. «Se si dispone di molti di questi batteri, tutti in grado di rilevare sostanze chimiche diverse, è possibile realizzare biosensori a basso costo. I batteri possono essere liofilizzati su carta e utilizzati all’occorrenza.» Tali dispositivi diagnostici potrebbero essere utilizzati a casa o in contesti difficili, senza doversi recare in ospedale.
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