L’era delle macchine viventi

Possiamo usare l’evoluzione come base di applicazioni bio-ispirate? Pikaia ha letto per voi “The
age of living machines“ di Susan Hockfield

Tra i libri segnalati nei mesi scorsi dalla rivista scientifica Science ha avuto molta attenzione The age of living machines (W.W. Norton & Company Press, 2019), libro scritto dalla neurobiologa americana Susan Hockfield, scienziata molto nota anche perché è stata la prima donna e prima “biologa” a ricoprire il ruolo di Presidente del prestigioso Massachusetts Institute of Technology.

Il libro affronta il tema, decisamente affascinante, della biomimetica illustrando cinque progetti di successo e proponendo una analisi degli elementi che sono stati alla base della concretizzazione di quelle che potevano semplicemente rimanere buone intuizioni.

Questa scelta, che costituisce la chiave di lettura di tutti i capitoli, nasce dal fatto che in primo luogo Susan Hockfield vuole far sì che queste esperienze possano essere ripetute anche in altri ambiti e l’Autrice identifica la multidisciplinarietà come principale punto di forza. Tutti i progetti descritti sono infatti il frutto del lavoro congiunto di biologi e ingegneri e in molti dei progetti illustrati uno spazio importante è riservato alla biologia evoluzionistica. La proposta che viene formulata non è però semplicemente di copiare la natura perché tutto quello che possiamo pensare è in realtà già presente in natura, quanto perché l’evoluzione ci mette permette di osservare e studiare soluzioni diverse, ma di eguale successo, per problemi attuali.

Viviamo in un momento di grandi cambiamenti (sia sociali che climatici), su un pianeta sempre più affollato (si stima che saremo 10 miliardi nel 2050), in città sempre più grandi che rubano spazio alla biodiversità e all’agricoltura (entro il 2030 quasi il 60% dell’umanità vivrà in città), per cui dobbiamo non solo ridurre ciò che consumiamo, ma anche modificare il modo in cui produciamo quello che ci serve. Ad esempio, tutti ricorriamo quotidianamente a diverse fonti energetiche, ma come produrre l’energia che ci serve? Uno dei capitoli che sicuramente attirerà l’attenzione dei lettori di The age of living machines  è indubbiamente quello dedicato ad Angela Belcher, docente di scienza dei materiali e ingegneria biologica, che ha modificato il comune virus batteriofago M13 per trasformarlo in un piccolo elettrodo.

Se in una batteria tradizionale, gli ioni di litio scorrono tra l’anodo negativo (in genere di grafite) e il catodo positivo dato da ossido di litio e cobalto, in quella immaginata e costruita da Angela Belcher il funzionamento della batteria è assicurato da virus resi capaci di catturare molecole di metalli dall’acqua e di legarsi  a nanotubi di carbonio, così da creare nano-fili ad altissima conduttività. A differenza di fili prodotti con metodi chimici convenzionali, i nanofili virali presentano una superficie ruvida e spinosa, che aumenta notevolmente lo spazio a disposizione per gli scambi elettrochimici. Inoltre, a differenza dei metodi di fabbricazione convenzionali, che coinvolgono alte temperature e prodotti chimici pericolosi, il processo ideato da Angela Belcher può essere eseguito a temperatura ambiente e utilizzando come base esclusivamente l’acqua, per cui non serve alcun tipo di energia e non sono prodotti inquinanti.

La natura ha impiegato milioni di anni per costruire biomateriali efficienti, studiandone l’evoluzione possiamo trovare un modo per ripetere simili bioproduzioni conseguendo però il risultato in modo più rapido e applicato all’ambito  di maggiore interesse per noi. È interessante notare il fatto che in questo caso l’idea originale è stata ispirata dalla struttura chimica della conchiglia di abalone, ma per ottenere questo risultato sono state modificate le proteine che costituiscono il  rivestimento esterno del virus, rendendolo idoneo ad attrarre ioni di cobalto, litio e/o d’oro. Il virus, una volta ricoperto di metallo, si unisce ad altri suoi simili modificati nello stesso modo in lunghe catene testa-coda, fino a ottenere dei sottili elettrodi.  Biomimetica non significa quindi copiare, quanto farsi ispirare dall’evoluzione dei viventi.

Un secondo esempio di successo è derivato dallo studio delle acquaporine, una famiglia di piccole proteine presenti e conservate per struttura e funzione in batteri, funghi, piante e animali, in grado di funzionare come canale di membrana per l’acqua. Così come le valvole di un sistema idraulico hanno la funzione di regolare il passaggio dell’acqua fra una «tubatura» e l’altra, evitando che il flusso si blocchi e si accumuli, così le acquaporine mantengono costante il volume d’acqua all’interno delle cellule. L’identificazione di queste molecole risale al 1991 e si deve al lavoro del biologo Peter Agre, che per questa scoperta è stato premiato con il premio Nobel della Chimica nel 2003.

Dopo circa 15 anni dalla scoperta dell’acquaporina, Peter Holme Jensen, Claus Hélix-Nielsen e Danielle Keller hanno dato vita alla start-up danese Aquaporin, che si è ispirata proprio a questa molecola per produrre un filtro perfetto che non solo recupera l’acqua, ma la depura. Le acquaporine sono state infatti incluse nel materiale che costituisce la membrana e svolgono il loro lavoro in un processo di osmosi, trasportando le molecole di acqua, senza applicare una pressione idrostatica esterna e quindi senza consumi energetici e impedendo il passaggio di eventuali inquinanti.

Questo progetto è di grandissima attualità perché la disponibilità di acqua potabile è (e sarà ancora di più nel prossimo futuro) una delle principali sfide che ci troveremo ad affrontare. In questo caso emerge in modo evidente l’importanza della collaborazione tra biologi e ingegneri che hanno unito le proprie competenze per realizzare un progetto che sulla carta può sembrare molto semplice (usare le acquaporine per depurare l’acqua), ma che ha richiesto il superamento di molti ostacoli tecnici per essere concretizzato.

Come sottolineato da Susan Hockfield nell’ultimo capitolo del libro, l’idea di mettere assieme ingegneria e biologia non è in realtà nuova, perché biologia (vegetale) e ingegneria (intesa come meccanizzazione) sono state alla base della rivoluzione verde, che ha permesso di raggiungere produzioni alimentari impensabili a metà del ‘900 e che oggi potrebbe avere nell’agricoltura 4.0 una nuova fase di evoluzione all’insegna della sostenibilità.

Per illustrare le sfide dell’agricoltura del futuro, Susan Hockfield illustra il lavoro di Elizabeth Kellogg presso il Danforth Plant Science Center. Questo non è il capitolo più efficace del libro (anzi forse è quello che per competenze è più lontano da quelle dell’autrice e questo si nota), tuttavia risultano ben evidenti i vantaggi che oggi possiamo trattare dalla disponibilità di dati genomici per le piante che coltiviamo. Abbinando alle conoscenze genetiche la possibilità di analizzare in modo automatico il fenotipo delle piante, ovvero facendo l’analisi visiva delle caratteristiche morfologiche e funzionali di una pianta, possiamo in tempi celerissimi capire quali abbinamenti mutazioni/fenotipo possono essere più utili in determinati contesti così da favorirne l’introduzione in campo. La fenotipizzazione è una parte fondamentale del processo di miglioramento genetico delle piante d’interesse agrario perché, ci permette di integrare i dati genetici alle prestazioni delle piante durante l’interazione con stimoli ambientali da noi definiti in serra. Dall’analisi del fenotipo deriva una migliore comprensione del sistema pianta/ambiente, con la possibilità di impostare programmi innovativi di selezione di nuove varietà. Le tecniche di sequenziamento del DNA di nuova generazione hanno rivoluzionato non solo le modalità di analisi, ma anche i tempi della selezione nelle specie agrarie, facilitando l’indagine genetica dei caratteri, l’identificazione dei geni/alleli responsabili dell’espressione fenotipica e il loro conseguente trasferimento nelle nuove varietà attraverso la selezione assistita da marcatori molecolari e l’applicazione di protocolli di selezione genomica. In questo caso possiamo quindi essere noi a guidare l’evoluzione delle piante di interesse agrario facendolo però con una precisione e una conoscenza che erano impensabili durante la domesticazione di queste piante. ll biologo evolutivo Stephen Jay Gould diceva che se riavvolgessimo il film della vita, non riavremmo mai lo stesso risultato… oggi usando la nostra conoscenza di genetica e biologica evoluzionistica possiamo pensare di avere risultati migliori. Se per molto tempo ci siamo fatti ispirare dalle forme della natura, oggi possiamo pensare di decidere la forma della natura.  

In un articolo intitolato The Next Innovation Revolution pubblicato nel 2009 su Science, Susan Hockfield faceva un invito che è ancora di grande attualità: per favorire l’innovazione bio-ispirata è necessario che gli studenti dei corsi di laurea di scienze della vita e di ingegneria acquisiscano una formazione più ampia ed integrata così che possano muoversi con successo a cavallo tra queste due discipline. Serve infatti dare più profondità all’idea che biologi, biotecnologi e ingegneri hanno del futuro della loro professione, così come serve cambiare il modo in cui sono organizzati i corsi di studio. Serviranno energie e tempo ma, come concludeva Susan Hockfield, questo è un investimento essenziale per garantire anche nel futuro la salute umana e dell’ambiente, oltre che la nostra prosperità economica.