Scoprire le origini della vita con la stampa 3D

Grazie all’ utilizzo della stampa 3D unita alla robotica è possibile condurre esperimenti di natura biologica in grado di investigare i complessi meccanismi di interazione tra gli elementi organici che in opportune condizioni possono generare il processo noto come evoluzione. Viene da pensare che questo sia solo un nuovo capitolo di un racconto di fantascienza, ma oggi sta diventando realtà.

Svariati fenomeni e meccanismi biologici sono stati spesso emulati attraverso algoritmi software più o meno complessi, circuiti elettronici e sofisticati sistemi di intelligenza artificiale, rimanendo tuttavia confinati alla sfera virtuale. Con le nuove tecnologie e il loro alto grado di customizzazione, le interazione chimiche e biologiche possono essere studiate con approcci innovativi, senza simulazioni, portando concretamente gli studiosi ancora più vicini alle risposte che cercano. Una di queste riguarda l’evoluzione dei sistemi viventi, processo estremamente complesso e ancora in gran parte da sondare.

Una squadra di scienziati scozzesi guidati dal professor Lee Cronin del dipartimento di chimica dell'Università di Glasgow sta facendo proprio questo. Il suo team di chimici, utilizzando una stampante 3D a basso costo RepRap auto costruita e personalizzata ad hoc, sta lavorando duramente per scoprire le origini della vita stessa. La stampante ha raccolto appieno la filosofia del progetto RepRap, dando vita a una piattaforma robotica modulare e dal design iterativo e flessibile. Numerosi componenti hardware sono stati ridisegnati e stampati per accogliere le necessità del progetto, tra cui l’estrusore che è stato sostituito con un sistema capace di gestire liquidi e depositarli nelle dosi scelte. Il sistema è incredibilmente semplice nonostante la complessità degli esperimenti per cui è utilizzato. Attraverso l’ausilio della stampante 3D pilotata da un robot e alla telecamera di una PlayStation integrata è possibile programmare reazioni di sintesi organica in modo preciso e ripetibile senza l’intervento umano. Successivamente, seguendo il comportamento delle molecole e la variazione di specifici parametri attraverso un algoritmo di selezione, è possibile studiarne l’evoluzione nel tempo nella speranza che l’affinamento di questo processo permetta di tracciare i dettagli di quello che è successo nei primi momenti in cui la vita è comparsa miliardi di anni fa.

Tutto il progetto parte dall’idea che per studiare i meccanismi con cui sono originate le prime cellule bisogna ridurre la loro struttura ai minimi termini, mimandone composizione e proprietà attraverso dei modelli chimici semplificati. Una cellula normalmente presenta una membrana cellulare, ossia un sottile strato lipidico che la delimita rispetto al mondo esterno, incubando e proteggendo al suo interno le condizioni ideali per i processi biologici che avvengono in tutti noi. Il team di Cronin ha mimato questa struttura proponendola sottoforma di gocce oleose che in acqua si “separano” da questa e acquistano determinati parametri utili a classificarle. Per creare queste gocce, Cronin e il suo team stanno utilizzando quattro prodotti chimici: 1-penatol, 1-ottanolo, dietil ftalato e acido dodecano o ottanoico, sospese in una soluzione alcalina. La stampante 3D permette di combinare con elevata precisione i quattro composti generando di volta in volta una formulazione nuova.

Schematicamente, il cerchio interno rappresenta il processo robotizzato, mentre il cerchio esterno rappresenta gli step dell'algoritmo di calcolo. Nella prima fase l’estrusore della stampante depone gocce della la formulazione sperimentale in una capsula di Petri con acqua. Successivamente le proprietà fisiche e chimiche delle gocce vengono registrate in tempo reale attraverso una videocamera. L'analisi delle immagini viene eseguita utilizzando dei parametri specifici selezionati dall’utente (ad esempio, il colore) nel passaggio di valutazione. Le popolazioni cosi formatesi vengono classificate automaticamente in base alla proprietà selezionata grazie all’algoritmo. L’elemento che risulta al di fuori del range di classificazione viene respinto e viene selezionata una nuova composizione che costituirà una nuova popolazione, mentre le formulazioni accettate vengono utilizzate come base di partenza per creare un nuova popolazione attraverso processi di mutazione e crossover casuali. L’intero processo continua per 21 cicli.

Certo, creare la vita da zero è difficile - afferma Cronin - e sappiamo poco circa l'origine della vita ma l'uso di robot semplici sta accelerando la nostra comprensione. Nel più recente esperimento un algoritmo evolutivo è stato utilizzato per seguire 17 milioni di combinazioni uniche di reazioni. Per ottenere questo risultato senza l’ausilio delle nuove tecnologie ci sarebbero voluti centinaia di anni

Utilizzando un assistente robotico come componente chiave per facilitare il processo evolutivo il team del professor Cronin è in grado di dimostrare come il sistema si evolve nel suo complesso. In questi primi esperimenti sono state esaminate proprietà e funzioni predefinite dall’utente e sicuramente il passo successivo sarà quello di esplorare “novità”, ossia l'emergere di caratteristiche inaspettate, funzioni o comportamenti non attesi in modo da determinare diversi meccanismi evolutivi. Ora ci si potrebbe soffermare a riflettere o a fantasticare dove questo processo potrebbe portare e quali risultati e scoperte incredibili potrebbe mettere in luce. Sicuramente è un esempio di perfetta integrazione delle nuove tecnologie e, chissà, in un prossimo futuro potrà aiutarci a capire e svelare l’antico segreto dell’origine della vita, stavolta stampata in 3D.

Orlando Rossi - Open BioMedical Initiative.