Ingegneria cellulare: nuova frontiera dell’intelligenza artificiale

Per parlare di ingegneria cellulare partiamo dalla birra. Vi siete mai chiesti come mai diversi tipi di birra lager abbiano colore, sapore, consistenza della schiuma, diversi l’uno dall’altro? Se scorressimo la lista degli ingredienti, saremmo probabilmente sorpresi di vedere che, in moltissimi casi, l’unica differenza sta nel lievito. Il motivo di queste differenze sta nel diverso modo in cui diverse specie di lievito fermentano. Se poi analizzassimo i lieviti al microscopio, vedremmo differenze nella morfologia delle cellule di questi lieviti.

Quello della birra rappresenta solo uno dei migliaia di esempi in cui usiamo l’ingegneria cellulare – intenzionalmente o meno – ossia utilizziamo organismi microscopici come vere e proprie fabbriche.

La biologia sintetica, quella branca della biologia che si occupa delle design artificiale di organismi biologici, rappresenta uno dei più importanti settori di crescita della ricerca industriale, per un mercato annuale stimato di oltre 38 miliardi di dollari entro il 2020.

Chi è l’autore

Simone Bianco è membro del personale di ricerca nel dipartimento di Genomica Industriale e Applicata presso l’Ibm Almaden Research Center. Ha conseguito una laurea in fisica presso l’Università di Pisa e ha un dottorato in fisica presso la North Texas University. Rivolge i suoi principali interessi di ricerca verso la biologia evolutiva teorica, in particolare nell’evoluzione dei virus RNA e nella genomica computazionale.
Prima di entrare in Ibm, Simone Bianco ha lavorato presso il Dipartimento di Bioingegneria e Scienze Terapeutiche e presso il Dipartimento di Microbiologia e Immunologia dell’Università di San Francisco. Presso l’Ucsf ha contribuito a diversi sviluppi scientifici nella genomica computazionale e nella biologia teorica.
Presso Ibm Simone Bianco dirige il sito del Center for Cellular Construction, un centro di scienza e tecnologia creatoin collaborazione con UC San Francisco, UC Berkeley, Stanford University, SF State University e SF Exploratorium. Il centro mira a trasformare la biologia cellulare in una disciplina di ingegneria.

La fetta più grande di questo mercato è rappresentata dalla produzione di prodotti farmaceutici e diagnostici, ma agricoltura, biocombustibili, cibo e derivati seguono a ruota.

Usare cellule per produrre prodotti utili, da antibiotici ai medicinali generici, ai carburanti, così come usare cellule per rilevare contaminazioni nel cibo e nell’ambiente, rappresenta una frontiera importantissima del mercato globale.

Ma il processo di selezione di questa “fabbrica” cellulare non è semplice. Si riduce ad una serie di trial and error, cioè molti organismi vengono provati in molte condizioni prima di arrivare alla specie che serve per il l’uso stabilito.

Spesso, questo processo è lungo e può arrivare a costare anche fino a 100 milioni di dollari per prodotto all’anno.

Ciò accade in tutte le applicazioni, come ad esempio il biorisanamento, cioè l’uso di microorganismi per la bonifica ambientale. È evidente come sia necessario un nuovo approccio “meccanicistico” all’uso delle cellule come “fabbriche” di prodotti utili.

Un centro di costruzione cellulare

Partendo da questi presupposti, ricercatori di IBM Research Almaden, UC San Francisco, UC Berkeley, SF State University e il SF Exploratorium, si sono costituiti in un Consorzio di Scienza e Tecnologia, il Center for Cellular Construction, finanziato con 24 milioni di dollari dalla US National Science Foundation, per dare vita a una nuova disciplina scientifica: l’Ingegneria Cellulare.

L’ingegneria cellulare si avvale di strumenti propri di ingegneria, matematica, fisica e informatica per trasformare la biologia in una scienza “quantitativa”, per ottimizzare il design e la realizzazione di “fabbriche” cellulari.

Il consorzio si avvale dei più avanzati sistemi di machine learning che Ibm possa mettere a disposizione per scoprire i legami tra le varie alterazioni cellulari, le modifiche genetiche necessarie per produrre tali alterazioni, e la funzione della cellula sotto osservazione.

Il progetto si propone di insegnare all’intelligenza artificiale di Watson come “vedere al microscopio”, per identificare minuscole anomalie tramite analisi di immagini cellulari, confrontarle con quelle presenti nei database e nella letteratura scientifica e tecnologica, e suggerire possibili modifiche che rendano efficace il funzionamento della “fabbrica cellulare”. Con la possibilità, domani, di dovere solo semplicemente chiedere: ”Watson, mi aiuteresti a costruire una cellula che possa rilevare la presenza di fertilizzanti nel mio lago?”.