BIOSYNTH – "Piattaforma micro-modulare per futuri memorizzatori di massa basati sulla biologia sintetica"

Esempi di applicazioni per la biologia sintetica. © Fraunhofer IPMS / Application examples for synthetic biology. © Fraunhofer IPMS

DNA, RNA e PEPTIDE come supporto di memorizzazione del futuro – progetto BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS / DNA, RNA e PEPTIDE come supporto di memorizzazione del futuro – progetto BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS

Il progetto BIOSYNTH è finanziato dalla Gesellschaft Fraunhofer e mira a sviluppare una nuova piattaforma di microchip che consenta una biosintesi senza cellule, efficiente e digitalmente controllabile. Il Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS guida il consorzio e collabora con l'Istituto di Tossicologia e Medicina Sperimentale ITEM e l'Istituto di Terapia Cellulare e Immunologia, parte di Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB, su tecnologie che possono essere utilizzate, tra l'altro, per futuri memristor di massa con altissima densità di memorizzazione o anche nel screening di sostanze tossiche in tossicologia umana.

Cos'è la biologia sintetica?

La biologia sintetica è un campo di ricerca che mira a progettare, ricostruire o modificare sistemi biologici in laboratorio. Ciò avviene attraverso lo sviluppo di componenti standardizzati che possono essere assemblati con precisione in nuove unità.

Il DNA sintetico può essere utilizzato per la memorizzazione e la compressione di dati binari, anche se la scrittura di DNA su microchip rappresenta ancora una grande sfida, ma anche una significativa opportunità. Le informazioni possono essere archiviate su microchip ad alta densità, disponendo specificamente e digitalmente le basi in modo tridimensionale.

Inoltre, il consorzio esplora altre applicazioni della biologia sintetica, come il riconoscimento di agenti patogeni nelle acque reflue — quindi anche approcci sensoriali. Questi saranno discussi principalmente in un workshop per gli utenti nell'ambito del SynBioReactor Summit della Società Tedesca di Biologia Sintetica il 21 agosto, a Berlino-Adlershof.

Come contribuisce BIOSYNTH al miglioramento dei processi?

Il progetto BIOSYNTH mira a migliorare le prestazioni odierne della sintesi microbiologica, combinando le competenze di tre istituti Fraunhofer. Attraverso tecnologie micro-sistemiche moderne, si sta esplorando una piattaforma universale di microchip, che può essere utilizzata per scrivere DNA, RNA e peptidi. Le metodologie di sintesi attuali, ad esempio tramite il cosiddetto "spotting", sono inefficienti, specialmente nella produzione di lunghi segmenti di DNA e tendono a errori, la cui correzione richiede molto tempo e costi elevati. Inoltre, le tecnologie attuali sono ingombranti e costose.

"Il progetto BIOSYNTH intende quindi esplorare le basi micro-sistemiche e biologiche per una sintesi ad alto rendimento di livello avanzato in microchip altamente integrati con componenti termici, fotonici e fluidici, che indirizzano sia memorie di massa biologiche con densità di memorizzazione estremamente elevata e resistenza all'invecchiamento, sia applicazioni in biologia, biochimica o ecologia applicata," spiega il Dr. Uwe Vogel, responsabile del consorzio presso il Fraunhofer IPMS.

I ricercatori sviluppano una piattaforma basata su tecniche di fabbricazione di microchip convenzionali, per scrivere sequenze di nucleotidi definite dal software (DNA, RNA o peptidi). Questa piattaforma permette, ad esempio, di implementare memorie di massa biologiche per procedure ad alta parallelizzazione e throughput elevato, simili ai processi di produzione di volume dell'industria microelettronica. La piattaforma, progettata e prodotta con metodi di microelettronica, integra celle di reazione miniaturizzate a livello di micrometri, con volumi di reazione nell'ordine dei picolitri, per la sintesi senza cellule in un array di matrice attiva programmabile. Attraverso componenti termici e fotonici speciali e la funzionalizzazione delle superfici di ogni cella di reazione, si permette il trasporto, l'immobilizzazione, l'attivazione e il monitoraggio delle condizioni e dei risultati del processo.

Il Fraunhofer IPMS sviluppa il circuito integrato del backplane CMOS, che controlla e legge i microriscaldatori per la biosintesi. Questo circuito viene anche utilizzato per i pixel OLED e i fotodetettori nell'array di matrice attiva, così come per un relativo sistema di prova. Inoltre, l'istituto si occupa dello sviluppo del livello "Thermo" della piattaforma di microchip, che permette il controllo della temperatura per la sintesi biologica tramite strutture superficiali micromeccaniche, simili alla tecnologia dei trasduttori ultrasuoni micromeccanici capacitivi (CMUT). L'istituto contribuisce anche con la sua esperienza nella simulazione delle funzionalità termiche. Un'altra attività del progetto riguarda l'implementazione di una tecnologia MEMS che consenta di integrare componenti organici come LED e fotodiodi per il monitoraggio del processo di sintesi. Successivamente, i ricercatori del Fraunhofer IZI-BB a Potsdam condurranno la sintesi utilizzando la piattaforma di microchip.

Quali sono le applicazioni?

Oltre alla memorizzazione di massa, ci sono altre applicazioni per la biologia sintetica (vedi anche figura 1). Ad esempio, l'Istituto ITEM del Fraunhofer lavora su metodi di codifica in componenti biologici. Questi includono in particolare codici di correzione degli errori e metodi di compressione. È possibile codificare anche immagini con bassa eterogeneità di pixel nel DNA, spezzando le basi ripetitive con una maschera casuale e memorizzando i dati in plasmidi. La memorizzazione di immagini nel DNA e la possibilità di recupero senza errori sono oggetto di sperimentazione, e è stato sviluppato uno schema di codifica che permette la compressione e evita spostamenti di immagine causati da errori.

Il Prof. Christoph Schäfers, direttore dell'Istituto di Biologia Molecolare e Ecologia Applicata del Fraunhofer IME, spiega un altro campo di applicazione della biologia sintetica: "Lo screening della tossicologia umana tramite biologia sintetica utilizza sistemi biologici artificiali per testare gli effetti delle sostanze sul corpo umano. Questo metodo permette di riconoscere e analizzare precocemente effetti potenzialmente dannosi."

Come vengono tradotti i risultati del progetto nella pratica?

Il progetto è supportato da un gruppo di consulenti di fama provenienti dal mondo dell'economia, della scienza e della pratica, tra cui esperti dell'Università di Marburgo, XFAB, Infineon, dell'Archivio federale e Hybrotec. I risultati intermedi del progetto saranno presentati il 21 agosto 2024, durante il SynBioReactor Summit, a Berlino, in un workshop dedicato agli utenti. Anche il Prof. Schäfers parteciperà al workshop sulla tematica dello screening della tossicologia umana, per discussioni e approfondimenti. Inoltre, i partecipanti al workshop avranno la possibilità di proporre e discutere idee applicative in aree tematiche specifiche.