La biologia dei sistemi e l'innovazione biotech

Molto si parla di economia sostenibile, capace di generare migliore qualità di vita su scala mondiale, ma pochi si rendono conto che in essa un ruolo strategico e rilevante deve essere giocato dalle biotecnologie.  Biotecnologie che hanno avuto negli ultimi 20-30 anni indubbi successi nella cura della salute (con nuovi ed efficaci farmaci, vaccini e diagnostici), nei bioprocessi (con lo sviluppo di nuovi procedimenti che riducono l'impatto ambientale delle trasformazioni di materia, riuscendo a produrre un largo numero di prodotti ad alta specificità d'uso, dai biofuels agli antibiotici), nell'agricoltura (con la produzione di varietà animali e vegetali a maggiore resa o con migliori proprietà nutritive, contestate in Europa, ma di successo in altre aree geografiche).

Cosa c'è che non va? Le biotecnologie hanno finora raccolto i frutti bassi dell'albero, quelli più attraenti e importanti stanno più in alto e le attuali biotecnologie non riescono a raggiungerli.  Quali sono?

1. i farmaci contro le malattie multifattoriali (cancro, malattie neurodegenerative, metaboliche, autoimmuni, cardiovascolari ed in genere quelle legate all'invecchiamento);
2. i bioprocessi a più ampia versatilità di prodotti forniti e di substrati utilizzati, con più elevate rese.

La rivoluzione genomica e postgenomica, che doveva consegnarci il libro della vita, da questo punto di vista è stata molto deludente. Gli scienziati sono ormai sommersi di informazioni che le tecniche bioinformatiche non riescono a gestire in modo da estrarre conoscenze significative da un mare di dati.

Appare chiaro che occorre un cambiamento di approccio verso la complessità del mondo vivente in modo da diventare capaci di affrontarla e gestirla.

Dagli inizi del nuovo secolo un nuovo paradigma sta cercando di affermarsi: la Systems Biology (SB), o biologia dei sistemi. Due definizioni, una operativa e una concettuale, delineano bene questo nuovo settore delle scienze:  la Systems Biology è un approccio attraverso cui problemi biologici vengono affrontati integrando esperimenti con modellizzazione computazionale (in altri termini, modelli matematici) e teoria del controllo in cicli iterativi (cicli che si ripetono nel tempo); la Systems Biology si occupa dei meccanismi molecolari attraverso cui macromolecole e piccole molecole interagiscono dinamicamente per produrre le proprietà funzionali degli esseri viventi.

Ecco perché le biotecnologie si sono fermate e oggi l'industria del farmaco, per esempio, non riesce più a produrre nuove medicine per le malattie multifattoriali.

Il fenotipo di queste malattie deriva non dalla disfunzione di uno o pochi geni, ma dall'alterato funzionamento di una vasta rete di centinaia o migliaia di prodotti genici. È, come si dice in SB, una proprietà emergente che deriva dalla corretta interazione di singoli elementi, ma che non è presente in ciascuno di questi singolarmente. Inoltre i sistemi biologici sono robusti, per la presenza al loro interno di particolari dispositivi molecolari, e quindi possono mantenere le loro funzioni anche in presenza di perturbazioni esterne od interne. È questa, probabilmente, la ragione principale per cui cellule tumorali possono diventare resistenti a farmaci.

Occorre quindi una modifica radicale del modo di studiare i fenomeni biologici complessi e prima di tutto dobbiamo imparare le regole del nuovo gioco, lavorando, come sempre si è fatto in biologia, su sistemi modello.

Mentre in molti paesi europei, nelle Americhe e in Asia si sono già attivati cospicui programmi di SB, in Italia tutto tace.

Con l'augurio che presto, anche nel nostro paese, questo settore divenga prioritario, occorre però mettere in guardia i decisori dalla tendenza gattopardesca tanto forte da noi. Bisognerà attenersi rigorosamente alle definizioni di SB: essa è sia sperimentale che computazionale in modo inscindibile; essa non è l'analisi postgenomica sotto mentite spoglie, con qualche elaborazione al computer; essa deve portare a comprendere a fondo e a gestire con accortezza fenomeni biologici complessi.

Alcuni importanti risultati sono già stati raggiunti in sistemi modello. La strada è aperta.