Luce blu, luce rossa

È una presunzione da mostro Frankenstein, ma il biologo Todd H. Rider '91, SM '91, SM '94, PhD '95, non ha mai evitato l'idea che potrebbe essere uno scienziato pazzo. Anzi, lo abbraccia. I suoi modelli sono stati gli scienziati dai capelli selvaggi dei film, quelli con aspirazioni rinnegate e una riluttanza a sostenere cerimonie metodologiche. Prende persino in prestito le loro battute. Prima di un esperimento che gli ha richiesto di azionare un interruttore, ha gridato: Dai vita alla mia creazione!

Penso di aver spaventato molte persone, dice ora.

Il 35enne originario dell'Arkansas è specializzato nella caccia a qualcosa che molte persone trovano più terrificante del mostro di Frankenstein: germi e virus mortali.

Rider e il suo team del Lincoln Laboratory hanno ricevuto l'attenzione nazionale a luglio per il loro lavoro su un nuovo sistema per rilevare agenti patogeni potenzialmente mortali, come l'antrace o la malattia del legionario, che sono stati a lungo temuti a pieno titolo ma sono diventati ancora più spaventosi per la loro possibile uso nelle armi biologiche. Conosciuto come analisi cellulare e notifica dei rischi e della resa dell'antigene, o Canary in breve, il rilevatore sviluppato da Rider utilizza i globuli bianchi, la prima linea di difesa del corpo contro le malattie, per testare le sostanze per la presenza di determinati agenti patogeni.

A differenza degli attuali sistemi di rilevamento che utilizzano reazioni di amplificazione del DNA che possono richiedere un'ora o più, la tecnica di Rider fornisce informazioni in pochi secondi. Con il pubblico sfregato sulla minaccia della guerra biologica e del bioterrorismo e le città messe in quarantena a causa di virus a rapida diffusione come la SARS, il potenziale del rilevatore di fornire letture sul posto potrebbe portare a una varietà di usi di prima risposta, dalla lettura muco fornito da un visitatore del pronto soccorso misteriosamente malato per testare la polvere bianca poco dopo essere volata fuori da una busta. Rider crede anche che il rivelatore possa essere adattato per estrarre particelle dall'aria, per determinare se armi biologiche sono state rilasciate sul campo di battaglia.

Modificare una reazione naturale

La natura, dice Rider, dimostra già che i globuli bianchi rilevano i patogeni. Quando gli anticorpi su una tale cellula si legano a un virus o batterio, attivano un segnale di calcio. Ciò fa sì che la cellula vada sul sentiero di guerra e combatta gli invasori. Rider credeva che se fosse riuscito a trovare un modo semplice per rilevare il segnale del calcio, avrebbe potuto sviluppare un sensore di agenti patogeni.

È intelligente, afferma il dottor David Relman, un professore della Stanford University che studia il rilevamento dei patogeni. Mi piace l'idea di cooptare un sistema biologico che è già cablato per una risposta rapida.

Ma quando Rider ha iniziato a lavorare all'idea, subito dopo essere arrivato al Lincoln Lab nel 1997, le persone non erano così ricettive. Molte persone al Lincoln Lab non l'avevano preso molto sul serio, dice. Inoltre, il Lincoln Lab non aveva un laboratorio di biologia. Quindi il giovane scienziato - 28 anni all'epoca, con appena un anno nel mondo reale dopo nove anni al MIT - fu costretto a trovare uno spazio nel campus fino a quando non riuscì a progettare un globulo bianco che avrebbe rivelato la reazione del calcio.

Rider ha trovato quello spazio nel laboratorio del professore di biologia Jianzhu Chen. Chen, che fa ricerca sull'immunologia, ha anche aiutato Rider a ottenere i primi finanziamenti dalla folla di cappa e spada che ha continuato a finanziare gran parte dello sviluppo di Canary. L'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa degli Stati Uniti (DARPA), una fonte di finanziamento affiliata all'esercito statunitense per progetti scientifici, era interessata al rilevamento di agenti patogeni e il team di Rider è andato a Washington per fare quella che alla fine è stata una presentazione di successo.

Con risorse adeguate alle spalle, Rider potrebbe iniziare a indagare su una proteina che da tempo considerava promettente: l'equorina, che deriva dalla medusa luminosa uguale vittoria e ha una capacità ben documentata di produrre luce in risposta al calcio. Rider ha usato l'elettricità per fare buchi nei globuli bianchi estratti da un topo, quindi ha infuso in quelle cellule le istruzioni genetiche della medusa per la produzione di equorina. La teoria era che quando gli anticorpi sulla superficie delle cellule si agganciavano ai loro agenti patogeni, attivavano un segnale di calcio, che attivava l'equorina e faceva brillare le cellule di blu. Quella luce blu, sebbene non visibile ad occhio nudo, potrebbe essere misurata da un luminometro, che invierebbe i risultati a un computer, che genererebbe una lettura.

A metà del 1998, Rider aveva programmato le cellule per emettere luce in risposta alla fosforilcolina-ovalbumina, un sostituto chimico sicuro per virus e batteri. Ma il principio era lo stesso e questo successo iniziale ha conferito al concetto la credibilità di cui Rider aveva bisogno per continuare.

Lui e il suo team sono quindi tornati al Lincoln Lab e hanno iniziato a fare acquisti per gli anticorpi dei patogeni, attingendo alla panoplia di batteri e virus che causano malattie studiati in altri laboratori. Dopo molti tentativi ed errori, la biologa Martha Petrovick ha sviluppato una nuova versione di uno strumento di ingegneria genetica noto come vettore del DNA che ha permesso a Rider e al suo team di produrre globuli bianchi con anticorpi sulla superficie che rispondevano a specifici agenti patogeni. Questi includevano l'antrace, la peste bubbonica, il ceppo patogeno di E. coli , clamidia, vaiolo e una mezza dozzina di altri virus e batteri temuti per i loro potenziali effetti negativi sulla salute pubblica o per l'uso in armi bioterroristiche.

Ma il team ha ancora affrontato un problema cruciale: i globuli bianchi e gli agenti patogeni hanno avuto difficoltà a localizzarsi durante i test. La reazione stava impiegando troppo tempo e il segnale del luminometro era troppo basso. Dovevamo trovare un modo per rendere la reazione più veloce e più evidente, afferma James Harper, PhD '98, lo staff del Lincoln Lab che dirigeva l'ingegneria hardware per Canary.

La soluzione era usare una centrifuga per far girare il materiale cellulare di un campione verso il fondo del suo contenitore, aggiungere i globuli bianchi e farli ruotare sopra il campione, costringendo i due a stretto contatto l'uno con l'altro. Ciò che era durato pochi minuti, ora richiedeva secondi.

In molti di questi sistemi, la limitazione è il trasporto di massa', afferma Duane Lindner '72, vicedirettore dei programmi di chimica e biologia presso i Sandia National Laboratories di Livermore, in California, che sta sviluppando i propri sistemi di rilevamento dei patogeni. Ci vuole molto tempo perché queste grandi cose si mettano l'una sopra l'altra. Il loro lavoro ha evidenziato quanto veloci possano essere i sistemi.

Veloce e semplice forse?

È quella velocità che ha interessato sia le aziende militari che quelle private al potenziale del nuovo rilevatore. Anche prima degli attacchi terroristici dell'11 settembre 2001, i militari erano interessati a qualcosa che potesse analizzare l'aria alla ricerca di armi biologiche. Anche le agenzie di sanità pubblica erano ansiose di qualcosa che potesse controllare rapidamente una spedizione di cibo per E. coli. Le recenti preoccupazioni su polveri bianche misteriose, possibilmente cariche di antrace inviate tramite posta statunitense e la paura di virus a rapida diffusione, come la SARS, hanno reso i soccorritori e i medici interessati al rilevamento di agenti patogeni quanto i militari.

La tecnologia utilizzata a Canary è già quasi adattabile a molti di questi usi, affermano i suoi sviluppatori, che ritengono che l'attuale prototipo di centrifuga, luminometro e computer potrebbe essere incluso in un kit di test sul campo delle dimensioni di una valigia, a un costo hardware compreso tra $ 7.000 e $ 10.000.

Lo stiamo progettando intenzionalmente in modo che sia molto facile da usare, afferma Rider. Alcuni dei sistemi attuali utilizzano parecchia formazione. Lo vogliamo utilizzabile per i soldati dell'esercito, il personale medico, i soccorritori. Aggiungerai semplicemente il campione alla cella e vedrai se si illumina.

Rider sta anche sviluppando quello che chiama scherzosamente un gigantesco snorfler per aspirare particelle dall'aria in luoghi sensibili e testarle. Le celle del rivelatore utilizzate nel dispositivo possono ora sopravvivere fino a due settimane prima di dover essere sostituite. Sebbene Rider definisca le cellule sorprendentemente resistenti, altri affermano che non sono abbastanza robuste, in particolare per un importante obiettivo della difesa civile, un sistema che raccoglierà autonomamente campioni dall'aria e li testerà per i patogeni.

Altri ancora credono che il suo processo sia superato dalla concorrenza. Le tecnologie di rilevamento basate sul DNA, anche se non così veloci come Canary, saranno alla fine in grado di testare un'ampia gamma di agenti patogeni contemporaneamente e persino di rivelare le caratteristiche genetiche di quegli organismi che non possono essere facilmente identificati. Canary si concentra troppo su organismi specifici, afferma Calvin Chue, ricercatore del Center for Civilian Biodefense Strategies della Johns Hopkins. Se ti dessi un agente patogeno sconosciuto, dovresti eseguire tutti i tuoi test rapidi specifici. Poiché questo potrebbe comprendere una dozzina o più di corse, l'analisi non è più così rapida. Anche al completamento della tua corsa potresti avere ancora uno sconosciuto tra le mani e non puoi presumere che sia benigno.

Tuttavia, Rider spera che in futuro Canary sarà in grado di fare qualsiasi tipo di analisi che le tecnologie basate sul DNA concorrenti possono fare. Nel frattempo, Harper, per esempio, crede che i vantaggi di essere in grado di fare una lettura veloce siano evidenti.

Il DNA è utile per cercare l'ago nel pagliaio quando non sai qual è l'ago, dice Harper. Ma in termini di sensibilità e velocità, non sembra che ci sia qualcosa che possa eguagliare Canary. Ha il potenziale per, al capezzale, determinare se qualcuno ha un'infezione batterica o virale, prima ancora che si alzi per lasciare [per] l'ospedale. Non va bene per guardare cosa sta succedendo in mille geni diversi, ma va bene per darti la risposta più veloce e sensibile.

Infatti, mentre gran parte della motivazione iniziale della DARPA per il finanziamento del progetto derivava dal suo interesse nell'utilizzare le proprietà reattive di diverse cellule per determinare le caratteristiche di agenti patogeni sconosciuti, piuttosto che testare campioni per quelli che sono già noti, l'agenzia rimane soddisfatta della tecnologia . DARPA è uno di quei posti in cui non sei limitato da un tema, afferma Alan Rudolph, lo scienziato che supervisiona il progetto per l'agenzia.

Questa è una buona cosa per Rider, che ha avuto difficoltà a rimanere confinato a un singolo tema in contesti accademici o di ricerca. Il suo lavoro di dottorato, infatti, ha coinvolto i reattori a fusione, ma è migrato attraverso diversi minori, inclusa la biomedicina, mentre lo completava. Si è rivolto alla microbiologia dopo che la sua tesi ha dimostrato problemi con vari reattori a fusione, rendendolo, ammette, un po' impopolare nel settore dei reattori.

Ho sconvolto alcune persone, quindi ho deciso di trasferirmi in un campo diverso, dice Rider. Ho avuto la fortuna di laurearmi in biomedicina.

Il dottor Frankenstein potrebbe essere d'accordo.

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