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Batteri artificiali programmabili, calcolano i logaritmi e sono in grado di prendere decisioni all'interno del corpo

  Autore: Marco Passarello

  sabato 18 maggio 2013 ore: 00:00:00 - letto [ 2226 ]

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Un gruppo di ricercatori del Mit, guidato da Rahul Sarpeshkar e Timothy Lu, è riuscito a trasformare dei comuni batteri in calcolatori, capaci di eseguire con precisione operazioni matematiche come l'estrazione di radice quadrata o il calcolo del logaritmo.

La creazione di "circuiti biologici" in grado di far funzionare una cellula vivente come se fosse un dispositivo elettronico programmabile è un campo promettente della biologia e della medicina.

Il risultato che si vuole ottenere è creare cellule che, se immesse nell'organismo umano, siano in grado di prendere decisioni basate su valutazioni numeriche complesse e agire di conseguenza, secernendo sostanze curative o segnalando ai medici l'insorgere di un'anomalia.

In tempi recenti sono stati ottenuti notevoli risultati nel creare segmenti di Dna che, se inseriti nel patrimonio genetico di una cellula, possono farla agire secondo la logica di un circuito digitale. Questo permette di dare alla cellula istruzioni molto complesse, ma con un limite: un sensore digitale può assumere solo due valori (0 e 1). Potremo quindi sapere se una concentrazione è superiore o inferiore a una soglia data, ma non conosceremo il suo valore con precisione.

Gli scienziati del Mit hanno invece portato i batteri a imitare circuiti analogici, che sono in grado di accettare come input qualunque valore. Hanno inoltre il vantaggio di poter sfruttare per il calcolo le funzioni naturali della cellula, che seguono spontaneamente una logica analogica, e che gli scienziati hanno affinato in modo che siano in grado di discernere anche tra diecimila valori diversi.

Un esempio semplice tra quelli riportati nell'articolo sulla rivista «Nature» che descrive i risultati della ricerca: gli input del batterio-calcolatore potrebbero essere la concentrazione dello zucchero arabinosio e quella di una molecola chiamata Ahl, mentre l'output potrebbe essere una proteina fluorescente verde chiamata Gfp. Perché il batterio faccia la somma dei due input, faremo in modo che entrambi stimolino la produzione di Gfp. Perché invece calcoli la differenza, uno dei due input agirà da stimolatore e l'altro da soppressore.

I ricercatori sono ora al lavoro per applicare questa logica anche a cellule diverse dai batteri, in particolare a quelle corporee.



 * Click sulla foto per ingrandirla


allegato, callula_biologica_programmabile.JPG


Schema della cellula biologica artificiale programmabile

a, The LuxR-based, wide-dynamic-range, positive-logarithm circuit. b, The AHL-to-GFP transfer function for a positive-feedback LCP (blue circles), a positive-feedback LCP with a shunt MCP (red diamonds) and a positive-feedback LCP with a shunt HCP (black triangles). The positive-feedback LCP with a shunt HCP implements a wide-dynamic-range, positive-slope logarithm circuit. Solid lines indicate modelling results of the detailed biochemical model; the inset shows the fit of a mathematical function of the form ln(1 + x). c, The AHL-to-mCherry transfer function for a positive-feedback LCP with a shunt MCP (red diamonds) and a positive-feedback LCP with a shunt HCP (black triangles). The positive-feedback LCP with a shunt HCP implements a wide-dynamic-range, positive-slope logarithm circuit. Solid lines indicate modelling results of the detailed biochemical model; the inset shows the fit of a mathematical function of the form ln(1 + x). d, Placing the positive-feedback loop on a VCP allows the dynamic adjustment of AHL-to-mCherry transfer functions between analog and digital behaviours using a CopyControl (CC) induction solution. The VCP is normally maintained at low copy numbers and can be induced to higher copy numbers through CopyControl-mediated expression of replication protein TrfA from a promoter integrated into the genome of EPI300 cells12. e, At high copy numbers (CC ON, red diamonds), the circuit behaves in a digital-like fashion. The dotted red line is a Hill function fit to the digital-like curve. The dashed black line reveals that the digital-like curve is not well fitted by a ln(1 + x) function. At low copy numbers (CC OFF, blue circles), the circuit behaves in an analog fashion with a wide dynamic range. The dashed blue line indicates that the PFS positive logarithm is well fitted by a ln(1 + x) function. The errors (s.e.m.) in the figures are derived from three flow cytometry experiments, each involving n = 50,000 events.

 

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File PowerPoint dello schema di attivazione cellulare: -

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fonte
http://www.ilsole24ore.com/art/tecn...

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Riferimento
http://www.nature.com/nature/journa...

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