La biotecnologia dice che può programmare la vita per fare nuove cose. È vero?

Gli esseri umani amano dire alle cose cosa fare. Tutto ciò che possiamo stabilire, prevedere e controllare, dai computer alle fabbriche, possiamo programmare per ottenere risultati affidabili e utili. La biotecnologia è maturata al punto che gli scienziati considerano sempre più le cellule viventi come programmabili, ma non tutti sono d'accordo nell'usare quel termine. Armeggiando e modificando i loro geni per creare tutti i tipi di nuovi prodotti, molecole, sostanze chimiche e materiali utili su larga scala, i leader in questo campo della biologia sintetica promettono di reinventare fondamentalmente il modo in cui produciamo le cose, guidati da tecniche nuove ed emergenti per la modifica del DNA e il potenziale produttivo apparentemente illimitato della biologia.

Aziende come Zymergen, AmyrisAMRS
e Gingko Bioworks sono alcuni di coloro che avanzano questo concetto, che è diventato un principio fondamentale tra molti nella biotecnologia. "L'idea centrale alla base della biologia sintetica è che la biologia è fondamentalmente programmabile, perché funziona su codice digitale sotto forma di DNA", disse Jason Kelly, CEO di Gingko Bioworks, in una recente conferenza. "Se puoi leggere e scrivere codice e hai una macchina che lo eseguirà - che chiamiamo cellula - questa è programmazione".

Gli esseri viventi, dalle cellule più semplici fino agli organismi complessi, sono già stati industrializzati. L'agricoltura animale è un esempio ovvio, ovvero i lieviti, che vengono gettati in giganteschi tini dove producono sostanze chimiche essenziali come l'acido citrico su vasta scala. Ma cosa accadrebbe se i geni di quei lieviti potessero essere modificati in modo da produrre invece, ad esempio, un minerale prezioso o una molecola farmaceuticamente utile? E se le cellule di una mucca potessero essere ricodificate per produrre una scorta costante di puro filet mignon?

L'immaginazione può scatenarsi con questa idea: inserire le istruzioni giuste in una cellula - o miliardi di esse - e produrre nuove sostanze chimiche o coloranti non tossici, purificare l'acqua, rendere più efficiente bioreattori, chissà cos'altro. Nonostante tutta l'eccitazione e la promessa, man mano che queste idee e tecniche diventano più diffuse e sofisticate, emerge anche il disaccordo sulla domanda: possiamo veramente pretendere di programmare la vita come un software? Dovremmo? E cosa significa?

Per alcuni, la programmazione della biologia offre l'opportunità di fornire materiale e abbondanza economica senza precedenti per l'intero pianeta, migliorando anche il nostro ruolo di amministratori dell'astronave Terra, dandoci meno motivi per scavare combustibili fossili o produrre sostanze chimiche velenose per fabbricare le cose di cui abbiamo bisogno e amore. Altri vedono l'intera nozione come poco più che un'analogia difettosa, persino una errata caratterizzazione controproducente che rischia di trattare la vita come qualcosa di molto meno complesso e misterioso di quanto non sia in realtà. Il cambiamento climatico è solo un esempio di come tali atteggiamenti possano portarci fuori strada. Come spesso accade, l'intuizione può essere trovata negli spazi tra questi punti di vista.

La "scatola nera" della biologia

Nella storia recente, gli esseri umani hanno imparato molto sul funzionamento interno delle cellule viventi. L'industria sta ora cercando di innovare interfacciandosi direttamente con questi meccanismi interni, applicando la logica del calcolo utilizzando nuovi potenti strumenti come CRISPR per modificare i singoli geni. La comprensione umana dei sistemi viventi che queste tecnologie ci sbloccano è ancora agli inizi, ma sono già stati utilizzati in modo produttivo. Il tecnologia mRNA dietro il COVID-19, ad esempio, promuove l'immunità riscrivendo direttamente le istruzioni delle cellule per la produzione di proteine. Se questa non è programmazione, cosa is vero?

La chiave dell'idea della biologia di programmazione è il fatto che i sistemi viventi funzionano su codice, DNA, che invece di uno e zero interpretiamo come A, C, T e G. È una lingua che gli esseri umani possono leggere e stanno persino imparando a scrivere, ma non possiamo ancora farlo fluentemente. Per analogia, possiamo lavorare con parole e frasi brevi, ma non frasi complete, per non parlare di paragrafi o capitoli. Cambiare solo una lettera in una sequenza genetica può produrre risultati buoni, cattivi o non rilevabili e molto spesso il risultato non segue le aspettative logiche.

Quasi nulla di tutto ciò è vero per il codice del computer, che gli esseri umani comprendono a un livello fondamentale perché, beh, lo abbiamo inventato noi. Alcuni sostengono che, per questo motivo, non possiamo mai programmare veramente la biologia in un senso significativo. Non importa quali misure adottiamo per controllarlo, ci ricordano: "la vita trova un modo” per minare o evadere dalle scatole che ci costruiamo attorno (non sempre con un effetto così drammatico come Jurassic Park). Nella programmazione digitale, la prevedibilità è fondamentale. È poco utile un'app per fogli di calcolo che cambia inaspettatamente un valore numerico di tanto in tanto. Eppure una cosa che possiamo dire con certezza sulla vita è che lo è non prevedibile. In effetti, l'evoluzione è alimentata dall'imprevedibilità, poiché la mutazione genetica ha contribuito in gran parte alla stupefacente varietà della vita sulla Terra.

Allo stesso tempo, costruiamo e utilizziamo regolarmente sistemi complessi con una prevedibilità significativamente limitata. Aerei, sistemi di traffico, reti di computer, sono tutti formati da così tante parti più piccole e prevedibili che il loro comportamento è prevedibile solo fino a un certo punto, sempre in grado di fare qualcosa che nessuno vede arrivare. Per chi non ne conosca il funzionamento interno, anche un computer perfettamente costruito potrebbe essere definito una 'scatola nera': sappiamo cosa entra e cosa esce, senza capire cosa sta succedendo all'interno. Qualcosa di simile si potrebbe dire dell'attuale rapporto con la biologia.

Fuzzy Logic

Fortunatamente per la biotecnologia, il percorso verso il progresso potrebbe non richiedere una comprensione completa del codice della vita. Conoscenze e abilità più profonde possono essere raggiunte da abbracciando gli inevitabili margini di mistero che derivano dal lavoro con i sistemi viventi. Alimentare un nuovo codice genetico in una cellula con un risultato atteso, pur essendo anche aperto all'imprevisto, potrebbe essere chiamato programmazione, o forse pungolare, porre una domanda alla natura stessa. Anche se questo potrebbe non essere affidabile o efficiente come la stesura di codice per un programma per computer, il vantaggio è che le risposte sono spesso sorprendenti e talvolta si riferiscono a domande che non sono state nemmeno poste. È così che avviene l'innovazione e, in alcuni modi, distingue la biologia da qualsiasi altro dominio "programmabile".

Nell'industria, non c'è il lusso di aspettare una piena comprensione dei complessi sistemi che l'evoluzione ha escogitato negli ultimi quattro miliardi di anni prima che possano essere utilizzati. L'imperativo di raggiungere pietre miliari e fornire prodotti utili, scalabili e, in definitiva, commerciabili non lascia altra scelta che trovare il percorso più diretto verso i risultati migliori e più utili. Accettare la realtà di lavorare con imprevedibilità significa costruire soprattutto sistemi prevedibili in grado di tollerare i molti comportamenti inaspettati, ma spesso utili, della natura. Una volta che tali processi rientrano nell'ambito della ripetibilità accettata dai processi di elaborazione o produzione tradizionali, la distinzione diventa meno importante.

I complessità della biologia è motivo di umiltà, ma anche di entusiasmo. C'è un'opportunità nella biotecnologia per imparare e persino sfruttare processi e abilità che nessuno potrebbe mai inventare, per non parlare di comprendere appieno. Il pollo non l'abbiamo inventato noi, per esempio, e di certo non capiamo tutte le sue parti funzionali, cosa gli passa per la testa quando gli diamo da mangiare, o qual è la catena di eventi che trasforma i chicchi in un uovo che può produrre un intero pollo nuovo. Ma ci offrono così tanto valore, in modo affidabile e su larga scala, che potrebbero anche essere considerati una tecnologia avanzata. La questione se l'editing genetico e la codifica dei sistemi viventi equivalga alla "programmazione", quindi, è in gran parte semantica. È anche secondario rispetto alla vera domanda: cosa sarà fatto con queste capacità nuove e in continuo miglioramento? Nel tentativo di comprendere il funzionamento fondamentale della biologia, fintanto che stiamo trovando modi per migliorare la nostra qualità della vita e la salute del pianeta, non dovrebbe importare quale parola usiamo per descriverlo.