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Ingegneria dei mondi microbici
Una perdita familiare ha intensificato l'interesse di Cullen Buie per i batteri e li ha sfruttati per sempre. 25 aprile 2018
Cody O'Laughlin
Della miriade di specie di batteri del mondo (le stime vanno da milioni a miliardi, a seconda di chi chiedi), gli scienziati ne hanno identificate e catalogate solo circa 20.000. E tra queste specie, meno dell'1% è stato sottoposto al tipo di armeggiare che potrebbe aiutare i ricercatori nel campo in piena espansione dell'ingegneria genetica ad adattarle per innumerevoli scopi umani.
C'è così tanto che non sappiamo, dice Cullen Buie, Esther e Harold E. Edgerton, professore di sviluppo professionale di ingegneria meccanica di recente assunzione. Tutto il lavoro viene svolto con l'1% dell'1%. Stiamo letteralmente solo grattando la superficie.
Ma il potenziale è enorme: alterando il codice genetico dei batteri esistenti, i ricercatori in un futuro non così lontano potrebbero essere in grado di costruire microrganismi che possono fare cose come curare malattie, creare fertilizzanti su richiesta o ripulire fuoriuscite di petrolio.
C'è tutta questa motivazione per cercare di sfruttare il mondo microbico e le persone si stanno rendendo conto: 'Amico, siamo limitati dai nostri strumenti', dice. Quindi Buie sta usando la sua esperienza di microfluidica per creare dispositivi che spera possano davvero far luce su tutti i tipi di problemi che prima non potevano nemmeno guardare. Al MIT, dirige il Laboratory for Energy and Microsystems Innovation (LEMI), che si concentra su elettrochimica, microfluidica e ricerca sulle celle a combustibile, in gran parte mirata a trovare nuovi modi per manipolare i batteri. Ha anche cofondato una startup che sviluppa uno strumento microfluidico che potrebbe accelerare notevolmente il ritmo dell'ingegneria genetica.
Wow, questo è perfetto
Buie inizialmente non ha deciso di studiare i batteri. Da adolescente, aveva intenzione di dedicarsi alla medicina, seguendo le orme della sorella maggiore, Simone. Ma frequentare un campo di ingegneria pre-universitario lo ha portato a specializzarsi in ingegneria meccanica presso l'Ohio State. Poi, come ricercatore laureato presso la National Science Foundation a Stanford, si è trovato attratto dalle energie rinnovabili e dalle micro e nanotecnologie. Così è entrato a far parte del laboratorio del professore di ingegneria meccanica Juan Santiago, che aveva appena ricevuto finanziamenti per un progetto di costruzione di pompe su nanoscala per celle a combustibile per veicoli. Ero tipo, 'Wow, questo è perfetto. Questa è energia alternativa e microscala tutto in una volta', dice.
Sotto Santiago, Buie si è concentrato sulle pompe elettro-osmotiche microfluidiche che utilizzano i campi elettrici per regolare la pressione e la portata. Per la sua tesi, ha esplorato il loro uso nelle celle a combustibile a bassa temperatura. In una borsa di studio post-dottorato presso l'Università della California, a Berkeley, Buie ha rivolto la sua attenzione alle celle a combustibile microbiche, che sono spesso utilizzate nei biosensori e negli impianti di trattamento delle acque reflue. Le celle a combustibile microbiche contengono batteri attaccati a un elettrodo. Quando ricevono materia organica da fonti come le acque reflue, i batteri scompongono il cibo, consentendo agli elettroni di essere sfruttati per creare una corrente elettrica.
Le proprietà della superficie determinano se i batteri che fluiscono attraverso un canale microfluidico schiacciato sono immobilizzati da determinati campi elettrici. Per gentile concessione di Cullen Buie
L'anno successivo, il lavoro sui batteri è diventato personale. Nel 2010, poco dopo essere entrato a far parte della facoltà del MIT come assistente professore di ingegneria meccanica, ricevette una telefonata. Sua sorella Simone era stata ricoverata in un ospedale dell'Ohio quel giorno con una febbre furiosa, battito cardiaco accelerato e dolore. Morì ore dopo di sepsi, una condizione che si verifica quando gli sforzi del corpo per combattere i batteri comuni come Staphylococcus aureus (stafilococco) e Streptococchi innescare l'infiammazione che porta all'insufficienza d'organo.
Buie era devastato. Mentre affrontava il suo dolore, iniziò a pensare alla morte di sua sorella da una prospettiva scientifica. È stato un po' scioccante per me che le persone morissero ancora a causa di infezioni batteriche, dice. Stavo già lavorando sulle celle a combustibile microbiche, e quindi quando è successo, ha suscitato la mia curiosità per i batteri e tutte le diverse cose che possono fare, sia buone che cattive.
A quel tempo, LEMI stava appena decollando e i suoi primi studenti e post-dottorati seguivano percorsi di ricerca disparati. Un progetto si è concentrato su nuovi modi per fabbricare superfici superidrofile (che assorbono l'acqua) e superidrofobiche (che respingono l'acqua), tecniche che potrebbero essere utili nell'ingegneria navale, mentre un altro era incentrato sulla progettazione di un nuovo tipo di batteria che utilizza la dinamica dei fluidi per mantenere i suoi componenti separato.
C'è così tanto che non sappiamo. Tutto il lavoro viene svolto con l'1% dell'1%. Stiamo letteralmente solo grattando la superficie.
Nel frattempo, altri ricercatori LEMI si sono concentrati sullo sviluppo di strumenti microfluidici che avrebbero utilizzato un processo chiamato dielettroforesi per selezionare i batteri in base alle proprietà elettriche delle loro cellule, che includono la polarizzazione, l'accumulo di carica sulla loro superficie. Per questo progetto, il team di Buie ha utilizzato canali microfluidici della larghezza di circa cinque capelli umani, con punti di collo di bottiglia di circa un decimo di quella dimensione nel mezzo. Hanno spinto le cellule di Pseudomonas aeruginosa batteri attraverso i canali e campi elettrici applicati. Quando aumentavano la tensione, diversi ceppi batterici scivolavano attraverso il canale mentre altri si fermavano al collo di bottiglia , dove il campo elettrico era più intenso.
Proprio il punto in cui una cellula si è fermata, e quanto fosse intenso il campo elettrico in quel punto, ha mostrato ai ricercatori quanto fosse polarizzata la superficie del batterio, fornendo indizi sulla sua patogenicità. Ceppi più patogeni di Pseudomonas aeruginosa hanno maggiori probabilità di polarizzare a tensioni più basse, il che ha portato Buie a pensare che la ricerca potrebbe essere applicata per aiutare a diagnosticare condizioni batteriche come la sepsi in tempo per salvare vite umane.
Tuttavia, esistevano già metodi più pratici per determinare se i batteri sono patogeni. Ora, Buie si sta concentrando sull'uso della dielettroforesi per collegare le informazioni genetiche alle proprietà fisiche dei batteri. Se, ad esempio, i geni vengono eliminati da un ceppo batterico poco studiato, qualsiasi cambiamento nella polarizzazione risultante può offrire alcune informazioni su quale potrebbe essere l'utilità di quei geni o su quale area della cellula potrebbero interessare, dice.
Dall'esterno verso l'interno
Nel 2013, Buie aveva rivolto la sua attenzione alla ricerca di un modo per accelerare notevolmente l'ingegneria genetica. I ricercatori hanno inserito da tempo diversi tipi di DNA nelle cellule per cercare di indurli, ad esempio, a combattere gli agenti patogeni o a metabolizzare l'anidride carbonica per aiutare a mitigare il cambiamento climatico. Ma gli strumenti per fornire il DNA estraneo non stavano avanzando così velocemente come le strategie per sfruttare le cellule manipolate, ha appreso dopo aver incontrato un rappresentante della Defense Advanced Research Projects Agency a un discorso sulla biologia sintetica.
Cody O'Laughlin
Per portare il DNA nelle cellule, molti ricercatori si affidano all'elettroporazione, un metodo per utilizzare impulsi elettrici finemente sintonizzati per aprire temporaneamente i pori nelle membrane cellulari. Ma il processo richiede ai ricercatori di conoscere l'esatto campo elettrico che aprirà i pori senza uccidere la cellula. Trovare quel campo specifico e il giusto mezzo di crescita per un dato ceppo batterico può richiedere anni. E una volta fatto, il processo di preparazione, pipettaggio e zapping elettrico di ogni campione è meticolosamente lento. Buie stima che un ricercatore esperto possa elettroporare solo da 20 a 50 campioni all'ora, limitando significativamente il numero di esperimenti che un laboratorio può condurre.
Quindi, con l'aiuto di una sovvenzione DARPA, Buie ha iniziato a lavorare su un modo più veloce per elettroporare le cellule e, alla fine, avrebbe anche affrontato l'automazione del processo. Il suo team, che includeva i dottorandi LEMI Paulo Garcia e Jeffrey Moran, nonché lo studente laureato Zhifei Ge, PhD '16, ha utilizzato una configurazione simile a quella dei precedenti esperimenti di dielettroforesi di Buie, ma ha aggiunto al canale microfluidico un marker fluorescente che si illuminava in presenza di DNA. I canali erano pieni di batteri e quando i campi elettrici aumentavano attorno al collo di bottiglia, i pori della membrana si aprivano, lasciando entrare il marker. Una volta dentro, ha reagito con il DNA dei batteri e ha fatto brillare la cellula, fornendo un indicatore visibile del campo elettrico necessario per aprire i pori di un particolare ceppo.
Una volta che i ricercatori lo sanno, devono ancora affrontare il laborioso compito di eseguire manualmente lo zapping su ogni cellula per inserire il DNA desiderato. Quindi Buie, -Garcia, e l'assistente di ricerca laureato LEMI Rameech -McCormack, SM '17, hanno anche progettato una pipetta che applica il campo elettrico corretto mentre le cellule fluiscono attraverso canali microfluidici caricati elettricamente integrati nella sua punta. Attraverso la loro startup, chiamata Kytopen, Buie e Garcia (che funge da CEO di Kytopen) stanno progettando un sistema automatizzato dotato di 96 o più pipette elettroporanti contemporaneamente, ognuna delle quali può affrontare un campione ogni 8-10 secondi. Rendendo possibile l'inserimento del DNA nelle cellule batteriche fino a 10.000 volte più velocemente, il dispositivo potrebbe consentire ai ricercatori di modificare rapidamente milioni di variazioni su un esperimento di ingegneria genetica. (Kytopen è tra le prime aziende supportate da The Engine, il fondo di rischio/acceleratore del MIT per le startup in fase iniziale che lavorano su tecnologie con un grande potenziale ma con tempi di sviluppo lunghi. Vedi Investing in Tech That's Worth the Wait, marzo/aprile 2018.)
Il prossimo passo di Buie è testare il suo dispositivo di elettroporazione su organismi che gli scienziati non sono ancora in grado di ingegnerizzare geneticamente e sta iniziando con i batteri in bocca. Il Forsyth Institute, un'organizzazione no-profit di ricerca biotecnologica, ha isolato centinaia di varietà di batteri orali umani. Buie ha collaborato con Christopher Johnston di Forsyth, un ricercatore di microbiologia che sta sviluppando metodi per schivare i sistemi di difesa cellulare che rifiutano il DNA estraneo. Insieme, mirano a rendere disponibili almeno 200 ceppi batterici per l'ingegneria genetica.
Se riusciranno ad espandere in modo significativo il numero di organismi che gli scienziati possono manipolare, la ricerca potrebbe un giorno essere utilizzata per progettare batteri per importanti applicazioni nell'assistenza sanitaria, nell'energia, nell'agricoltura e nelle scienze ambientali.
Buie spera che il suo lavoro consentirà ad altri ricercatori di affrontare domande più difficili. Le persone smetteranno di dire 'Non posso lavorare su quel bug' perché non possono fare genetica, dice. Diranno: 'Perché non proviamo questo?'