Introduzione
La biologia sintetica è un campo molto ampio che cerca di fare leva sui punti di forza di varie discipline per affrontare lo studio dei sistemi biologici. Tra le varie, l’ingegneria è forse quella che rivoluziona più consistentemente il tradizionale approccio alla biologia. Il tentativo di ispirarsi al metodo ingegneristico per affrontare i più vari problemi permette di progettare sistemi biologici con comportamenti nuovi o migliorati, garantendo allo stesso tempo semplicità e maggior controllo. L’ingegneria fornisce, quindi, gli strumenti per passare dalla semplice osservazione della vita alla sua vera e propria costruzione.
Cosa si intende per metodo ingegneristico?
Potremmo definire l’ingegneria come una filosofia, così versatile da trovare applicabilità in molti ambiti. Infatti, possiamo parlare di diversi tipi di ingegneria: meccanica, informatica, chimica e molte altre ancora. Tra le varie, possiamo addirittura trovare l’ingegneria genetica, ramo che si occupa di studiare come modificare il genoma di organismi viventi al fine di risolvere problematiche di vario tipo, come ad esempio quelle di carattere ambientale, sanitario, etc..
Ma perché definire l’ingegneria una filosofia? L’ingegneria può essere pensata come un insieme di schemi e metodi che vanno a strutturare un particolare ragionamento logico per risolvere un qualsiasi tipo di problema. Vediamo qui di seguito quali sono i principali schemi su cui si basa il punto di vista di un ingegnere quando si trova a dover affrontare un problema:
- Decomposizione: ogni problema complesso, in quanto tale, si compone di più sottoproblemi. Pertanto, è possibile dividere l’insieme più grande, il problema complesso, in tanti insiemi più piccoli, i sottoproblemi. Questi ultimi, per definizione, presentano una complessità inferiore. Applicando questo principio, si ottengono molti più problemi, ma più facili da trattare e logicamente separati. Risolvendo i sottoproblemi in modo indipendente e poi integrandoli, è dunque possibile risolvere il problema inizialmente più complesso;
- Modularità: cercare di produrre componenti semplici, funzionali autonomamente ed allo stesso tempo integrabili tra loro. Un esempio concreto: l’automobile, sistema complesso, si compone di parti più semplici come le ruote, il motore, i tubi etc. che possono esistere anche singolarmente e come elementi integranti di altri sistemi complessi;
- Astrazione: l’idea è quella di nascondere la complessità di un’entità mostrando solo le informazioni rilevanti a un determinato livello d’interazione. Riprendendo l’esempio della macchina, quando premiamo l’acceleratore noi sappiamo che il veicolo avanzerà, ignorando la serie di meccanismi che vengono innescati per far accadere ciò. Il pedale dell’acceleratore rappresenta dunque un’interfaccia semplificata che ci permette di controllare un sistema complesso senza doverne conoscere i dettagli;
- Standardizzazione: stabilire delle regole e dei protocolli che consentano il riutilizzo di un’entità in ambienti e condizioni diverse da quelle per cui è avvenuta la progettazione originaria. Si vuole di fatto creare un linguaggio unico in grado di fornire struttura ed organizzazione a qualsiasi nuovo sistema
Per applicare con successo i sopra menzionati schemi, l’ingegneria usa modelli matematici e fisici al fine di progettare, analizzare ed aiutare nelle decisioni in maniera puntuale ed analitica.
Gli schemi non sono però sufficienti al fine di organizzare un pensiero. C’è bisogno infatti di un metodo di ragionamento. Possiamo sintetizzare l’approccio ingegneristico in un semplice schema composto da quattro fasi che si ripetono ciclicamente: il così noto ciclo DBTL:
- D (Design): fase di progettazione, ovvero pianificare i passaggi successivi;
- B (Build): fase di implementazione in cui si realizza concretamente ciò che è stato progettato a livello teorico durante la fase precedente;
- T (Test): fase di sperimentazione attraverso la quale si cerca di ottenere dei risultati che possano validare il modello;
- L (Learn): fase di analisi dei risultati prodotti durante la fase precedente. Permette di comprendere l’andamento del progetto e valutare aspetti positivi e negativi del sistema attuale. Tali riscontri servono per definire meglio la fase di “Design” dell’iterazione successiva del ciclo DBTL
L’obiettivo è quello di raggiungere dei piccoli obiettivi intermedi ad ogni iterazione del ciclo, fino ad arrivare all’iterazione finale che permette di raggiungere l’obiettivo principale.
Ruolo dell’ingegneria nella biologia sintetica
L’ingegneria è alla base della biologia sintetica. La biologia ha come oggetto di studio sistemi estremamente complessi, ma grazie all’idea ingegneristica di semplificazione è possibile ridurre la complessità. Il fatto di considerare DNA, RNA, proteine e tutti gli altri principali elementi biologici come componenti modulari, consente di programmare le cellule come fossero dei circuiti.
Principi come decomposizione, modularità, astrazione e standardizzazione vengono applicati per progettare organismi con funzioni specifiche: ad esempio, batteri che producono farmaci, capaci di rilevare malattie o degradare inquinanti.
L’approccio sistemico e iterativo del ciclo DBTL permette inoltre di affinare progressivamente i progetti biologici, ottimizzando l’efficacia in laboratorio o in ambiente reale.
Sul lato pratico, pensiamo ai risultati concreti che sono stati raggiunti grazie alla biologia sintetica: ci ha permesso di realizzare batteri programmati per rilevare e combattere tumori, microrganismi in grado di assorbire CO₂ o capaci di degradare plastiche, contribuendo così alla lotta contro il cambiamento climatico.
Conclusioni
Da ciò che abbiamo visto, possiamo dire che l’approccio ingegneristico garantisce efficienza, riproducibilità e scalabilità. Questa integrazione tra discipline fino a poco tempo fa distanti tra loro, sta permettendo il raggiungimento di risultati mai ottenuti prima. La coppia biologia-ingegneria come metafora dell’avvicinamento tra realtà e tecnica rappresenta un esempio eccellente di multidisciplinarietà.
Come abbiamo annunciato all’inizio, l’ingegneria si specializza in più ambiti, motivo per cui risulta essere il ponte tra le varie isole delle teorie scientifiche. Si origina così il costrutto generale e completo della multidisciplinarietà, una trasformazione culturale e scientifica che, se affrontata con consapevolezza, responsabilità e visione a lungo termine, può portare a soluzioni rivoluzionarie.