A fine aprile, la rivista scientifica Science ha pubblicato una presentazione molto favorevole di “The age of living machines“, 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 mi ha incuriosito perché l’autrice è una notissima e autorevole ricercatrice attiva nell’ambito della neurobiologia, ma non della biomimetica, quindi “The age of living machines” poteva essere l’ennesimo libro dedicato al perché l’uomo dovrebbe copiare la natura in tutti i suoi progetti, dato che la natura ha già inventato tutto.
In realtà, il libro è prima di tutto un invito alla multidisciplinarità, tutti i progetti descritti hanno in comune il fatto di unire scienziati che provengono da biologia e ingegneria. Come ben sottolinea Susan Hockfield, se il novecento è stato il secolo della fisica e dell’ingegneria, oggi è giunto il momento che biologi e ingegneri inizino a sfruttare appieno le potenzialità che potrebbero derivare dalla loro collaborazione.
L’invito che emerge leggendo questo libro non è legato al copiare la natura, ma al capire come l’evoluzione biologica ha risolto problemi complessi nell’ambito, ad esempio, dei biomateriali per capire come affrontare problemi simili per immaginare quale forma dare ai nostri “prodotti”. Viviamo infatti 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 il nostro impatto sul pianeta, ma anche modificare il modo in cui produciamo quello che ci serve.
“The Stone Age came to an end not because we had a lack of stones and Oil Age will come to end not because we have to lack of oil. We are still in the Oil Age of course, but harnessing the intelligence of biology we believe that we can help bring it to an end”. (Susan Hockfield)
I due esempi più efficaci che il libro presenta sono indubbiamente la scoperta (e le successive applicazioni) dell’acquaporina e i virus modificati per produrre elettrodi di batterie.
Le acquaporine sono 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.
Quello che colpisce in questo progetto non è solo il risultato finale, quanto il complesso percorso tecnologico che è seguito all’intuizione di Holme Jensen. Serviva infatti produrre una proteina in grandi quantità e senza arrecare danno alle cellule di Escherichia coli, in cui la proteina veniva prodotta. In questo caso abbiamo quindi un perfetto problema di tipo biotecnologico-industriale, ambito che anche in Italia ha nella sostenibilità una delle principali parole chiave (come evidente anche dal programma del prossimo meeting IFIB organizzato da Federbiotec d inizio ottobre a Napoli).
Il secondo capitolo 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 dalla Belcher la base del funzionamento sono virus resi capaci di catturare molecole di metalli dall’acqua e di legarsi a nanotubi di carbonio, così da creare nanofili (di 80 nanometri di dimensioni) ad altissima conduttività. A differenza di fili prodotti con metodi chimici convenzionali, questi 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, questo processo può essere eseguito a temperatura ambiente e utilizzando come base esclusivamente l’acqua.
“La natura ha impiegato 50 milioni di anni per costruire biomateriali efficienti come quelli che costituiscono la conchiglia di abalone. E questo non viene visto di buon occhio da un dottorando a cui chiedi di ripetere lo stesso processo in laboratorio: ho un progetto, dura 50 milioni di anni. Quindi abbiamo dovuto trovare un modo per provare a fare ciò più rapidamente”. (Angela Belcher)
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.
L’idea di mettere assieme ingegneria e biologia non è in realtà nuova, se ben ci pensiamo, perchè biologia (vegetale) e ingegneria (intesa come meccanizzazione) sono state alla base della rivoluzione verde, quella rivoluzione che ha permesso di raggiungere produzioni alimentari impensabili e che oggi potrebbe avere nell’agricoltura 4.0 una nuova fase di evoluzione all’insegna della sostenibilità.
All’agricoltura del futuro e ai suoi potenziali sviluppi, Susan Hockfield dedica un capitolo analizzando 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 (anche l’European Scientist ha affrontato recentemente questo tema). 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 un articolo intitolato “The Next Innovation Revolution” pubblicato nel 2009 su Science, Susan Hockfield faceva un invito, che è ancora di grande attualità, e che dovrebbe essere rivolto anche al governo italiano e alle università italiane per favorire l’integrazione di biologia e ingegneria: per accelerare queste innovazioni serviranno molti cambiamenti, dal modo in cui insegniamo al modo in cui finanziamo la ricerca. Gli studenti dei corsi di laurea di scienze della vita e di ingegneria necessitano di 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 all’università organizziamo i corsi di studio e le lezioni. Serve favorire un approccio multidisciplinare oltre che avere sempre più una formazione che parta da/includa problem-based activities. 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.
Digit-ag: quattro passi nell'agricoltura 4.0 