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Fisica

Biologia sintetica, ecco che cosa abbiamo creato finora

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Materia di tutt’altro che facile definizione, la biologia sintetica, che sfugge alle maglie delle classificazioni rigide. Un po’ biologia sì, ma anche chimica, ingegneria, informatica, fisica. Una delle definizioni che meglio cerca di abbracciare una branca così sfuggente alle classificazioni è quella della rivista Nature, che la definisce così: “la biologia sintetica consiste nella progettazione e nella costruzione di nuove parti biologiche, dispositivi e sistemi, e nel ridisegnare sistemi biologici naturali, esistenti, ai fini di renderli utili a qualche scopo”. Al di là delle definizioni, nei fatti, occuparsi di biologia sintetica, e rimanendo confinati allo spazio piccolo, e già complicatissimo da replicare, della cellula in sé, la storia in pochi anni ha già collezionato una serie di traguardi. Come a dire: la casa ancora non è del tutto fatta, ma di mattoni ne sono stati messi insieme diversi. Sia per quanto riguarda la struttura (le membrane cellulari e i gli organelli interni) che l’anima della casa, gli arredi interni (soprattutto il dna, il regista della vita di ogni cellula, anche in versione modificata). Ecco i principali mattoni messi insieme negli ultimi anni.

 

Genomi sintetici

L’ultima conquista in ordine temporale, è quella appena presentata sulle pagine di Science, con l’annuncio della creazione di cinque nuovi cromosomi sintetici di lievito. Cinque che si aggiungono al primo cromosoma di lievito sintetico creato nel 2014. Mettendo insieme tanti pezzi di dna, e affidando il completamento del cromosoma al lievito, i ricercatori del Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0) sono riusciti a creare 5 nuovi cromosomi, in grado di integrarsi nel lievito, ovvero di guidare i processi biologici al pari delle loro controparti naturali. Lo scopo ultimo è quello di assemblare in laboratorio un genoma complesso, quale quello di un eucariote (per intenderci: anche le cellule dell’essere umano, così come quelle di tutti gli animali sono eucariotiche). Per farne cosa? L’obbiettivo più ampio è quello di mettere insieme una macchina per la produzione di sostanze che abbiano un qualche interesse per l’essere umano, per esempio in medicina, o che possano essere utili all’ambiente, per esempio ripulendolo dagli inquinanti. Lo scopo insomma è quello di creare genomi sintetici per riprogrammare forme di vita.

Prima ancora di arrivare agli eucarioti però, una star della biologia molecolare, Craig Venter, famoso per aver, tra l’altro, sequenziato per primo il genoma umano, era già arrivata al traguardo di un intero genoma sintetico. Su un modello più semplice: una cellula procariotica, ovvero un batterio. Nel 2010 il team di Venter aveva infatti sintetizzato in laboratorio il genoma di Mycoplasma mycoides per poi introdurlo all’interno di un altro batterio privato del proprio materiale genetico. La cellula è risultata non solo vitale ma anche in grado di riprodursi, di fatto classificandosi come uno dei traguardi più importanti mai raggiunti nel campo della biologia sintetica: la creazione di una cellula batterica controllata da un genoma creato artificialmente.

Cellule minime

È uno degli obbiettivi della biologia sintetica: la creazione di cellule minime, che contengano solo ciò che è strettamente essenziale alla vita. Per realizzare strutture utili nel campo della medicina, per esempio, ma più in generale per capire qualcosa di più su ciò che è vita e anche per comprendere come si sono evolute le prime forme sul nostro pianeta. Un traguardo in realtà già raggiunto. Lo scorso anno, infatti, sempre il team di Craig Venter, annunciava sulle pagine di Science la creazione di un genoma batterico minimo, ovvero contenente solo i geni strettamente necessari alla vita. Quanti? 473. La cellula in questione è stata ribattezzata Syn 3.0 ed è stata ottenuta essenzialmente con un processo di sottrazione e miniaturizzazione dalla cellula con genoma sintetico ottenuta in precedenza, ovvero testando quali segmenti genomici e quanti geni erano necessari a creare una cellula vitale, fino a raggiunge appunto quota 473.

 

Oltre il softwarwe: la struttura

Considerando la biologia sintetica solo per quella parte della branca che si occupa di ricreare artificialmente sistemi come la cellula, lo scopo non è solo quello di mettere mano al dna. Come ci insegna l’informatica il software guida, ma è essenziale farlo poi girare su un hardware. Mantenendoci nel campo delle metafore, non basta ricreare il dna, è necessario anche saper maneggiare i componenti cellulari. Perché una cellula è moto di più del suo nucleo contente il dna.

Anche in questo campo la biologia sintetica ha raggiunto traguardi importanti, non solo per quel che riguarda la sintesi e la progettazione di macromolecole, come le proteine, un po’ i tuttofare della biologia (dalle attività enzimatiche, ai ruolo strutturali, a quelle di regolatrici dell’espressione di geni).

Una cellula è prima di tutto un ambiente confinato, separato dall’esterno dalla presenza di una membrana cellulare. Tentativi di ricreare questo ambiente si susseguono da decenni, e negli ultimi anni in questo campo diversi sono stati i traguardi tagliati. Nel 2012, per esempio, uno studiopubblicato su Journal of the American Chemical Society mostrava come fosse possibile creare membrane cellulari capaci di assemblarsi da sole, utilizzando reazioni chimiche che, rivendicavano gli autori della ricerca, non avevano equivalenti in biologia. Una scoperta che potrebbe aiutare a capire come sia avvenuto in passato il passaggio da materiale non vivente a materiale vivente. Appena due anni dopo, un’altra ricerca portava il traguardo a un gradino superiore. La membrana cellulare infatti non è l’unico compartimento di una cellula, considerando le più complesse cellule eucariotiche con diversi organelli ciascuno adibito a svolgere una specifica funzione. Nel 2014 dall’Olanda arrivava la notizia della creazione di una cellula eucariotica, con tanto di organelli, capace di svolgere qualche reazione chimica. I ricercatori a capo dello studio erano riusciti nell’impresa usando del materiale plastico: sfere di polistirene, riempite di enzimi, immerse in acqua e poi rivestire di un polimero che funzionasse da membrana cellulare. L’anno dopo la struttura della cellula artificiale si sarebbe arricchita di un componente più nella corsa all’imitazione di quelle naturali: il ribosoma, la fabbrica delle proteine.

 
  

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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Vega C si prepara al lancio. Un video ci porta dietro le quinte della missione

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Partirà da Kourou, in Guyana francese, nella seconda metà del 2019, spinto da un motore straordinario che gli conferirà una potenza senza concorrenti tra i vettori spaziali della sua categoria. Vega-C, così si chiama, è l’ultimo arrivato tra i sistemi di lancio europei, e rappresenta un motivo di orgoglio anche per la scienza e tecnologia italiane: il cuore del suo sistema è stato infatti elaborato da un’azienda italiana con sede a Colleferro.

In questo video l’Agenzia spaziale europea ci porta dietro le quinte della missione.

 

 
  

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Il gatto di Schrödinger? Ha temperature diverse contemporaneamente

Dopo decenni, un team di fisici dell’Università di Exeter ha enunciato un nuovo principio di incertezza nel mondo dei quanti, che stavolta riguarda la relazione tra temperatura e energia di un oggetto

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Se il gatto di Schrödinger può essere vivo e morto allo stesso tempo, potrà (giustamente) avere due temperature diverse contemporaneamente? La risposta dei fisici dell’Università di Exeter è sì, nel mondo dei quanti è così. E nel loro articolo pubblicato su Nature Communications enunciano una nuova relazione di incertezza quantistica che condanna gli oggetti nanoscopici in un limbo di temperature. Un principio che, a detta degli autori, cambierà il modo in cui gli scienziati misurano la temperatura di gatti di punti quantici, piccoli semiconduttori o singole cellule.

La nuova relazione di incertezza quantistica stabilisce che “più si conosce con precisione la temperatura degli oggetti in un sistema quantistico meno si può stabilire la loro energia, e viceversa”. Chiaro? Probabilmente no. Per cercare di intuire il principio possiamo partire dal principio di indeterminazione nella relazione tra temperature e energia formulato da Heisenberg e Bohr negli anni ’30 del secolo scorso.

Uno dei metodi per misurare con precisione la temperatura di un corpo è quello di immergerlo in un serbatoio (per esempio una vasca di acqua) a temperatura nota e misurare il tempo necessario al raggiungimento dell’equilibrio termico, lo scenario in cui l’oggetto immerso raggiunge la stessa temperatura del fluido del serbatoio. Dal punto di vista microscopico, l’equilibrio termico si raggiunge perché corpo e serbatoio si scambiano continuamente pacchetti di energia infinitesimali: è questo il motivo per cui temperatura ed energia sono intrinsecamente legate. Ed è anche il motivo per cui la misura della temperatura del corpo fa oscillare la misura della sua energia, che quindi resta quantificabile solo all’interno di un certo margine d’errore.

Il ragionamento vale anche nel verso opposto: volendo definire l’energia, si può poi risalire alla sua temperatura? No, perché per misurare l’energia all’interno di un sistema non quantistico dovrei isolare l’oggetto, impedendogli di scambiare energia con qualsiasi cosa. Ma così facendo si preclude la possibilità di misurare la sua temperatura usando il metodo del serbatoio. E dunque, in questo caso, l’incertezza risiederebbe proprio nella temperatura.

I fisici di Exeter hanno portato l’incertezza su scala quantistica e grazie al paradosso del gatto di Schrödinger – l’esperimento ideale pensato dall’omonimo fisico austriaco per spiegare il principio di sovrapposizione e il collasso degli stati, due leggi fondamentali della meccanica quantistica – hanno dimostrato matematicamente che le cose si fanno ancora più strane. Gli scienziati, in particolare, hanno mostrato che il principio di sovrapposizione vale anche per la temperatura, ossia che un sistema quantistico può trovarsi in due (o più) stati di temperatura diversi nello stesso momento. A ciascuno di tali stati corrispondono altrettanti stati di energia, dal momento che – come abbiamo visto – energia e temperatura sono grandezze intrinsecamente legate; e la misurazione della temperatura (proprio come l’apertura della scatola che contiene il gatto) fa sì che il sistema collassi su uno dei tanti stati che componevano la sovrapposizione.

 
  

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Che cosa dice veramente sulla realtà la teoria quantistica?

A quasi un secolo dalla formulazione della teoria quantistica, fisici e filosofi non sanno ancora dare una risposta a questa domanda. Ma si continuano a condurre esperimenti per capire qualcosa di più sulle sue leggi spesso paradossali e sul confine tra il mondo microscopico e quello macroscopico

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Per essere una dimostrazione in grado di ribaltare le grandi idee di Isaac Newton sulla natura della luce, era incredibilmente semplice. “Può essere ripetuto con grande facilità, ovunque splenda il Sole”, disse il fisico inglese Thomas Young ai membri della Royal Society di Londra nel novembre del 1803, descrivendo l’esperimento oggi noto come esperimento della doppia fenditura.
Young non era melodrammatico. Aveva ideato un esperimento elegante e relativamente semplice per mostrare la natura ondulatoria della luce, e così facendo aveva confutato la teoria di Newton che la luce fosse fatta di corpuscoli, o particelle.

Ma la nascita della fisica quantistica nei primi anni del 1900 chiarì che la luce è composta da unità minuscole, indivisibili, o quanti, di energia, che noi chiamiamo fotoni.

L’esperimento di Young, quando viene effettuato con singoli fotoni o anche singole particelle di materia, come elettroni e neutroni, è un enigma su cui riflettere, poiché solleva domande fondamentali sulla natura stessa della realtà. Alcuni l’hanno perfino usato per sostenere che il mondo quantistico è influenzato dalla coscienza umana, dando alle nostre menti un ruolo e una collocazione nell’ontologia dell’universo. Ma quel semplice esperimento fa davvero una cosa del genere?

Nella moderna forma quantistica, l’esperimento di Young consiste nell’inviare singole particelle di luce o materia verso due fessure o aperture praticate in una barriera per il resto opaca. Dall’altro lato della barriera c’è uno schermo che registra l’arrivo delle particelle (per esempio, una lastra fotografica nel caso dei fotoni).

Il buon senso porta ad aspettarci che i fotoni passino attraverso una o l’altra delle fenditure, accumulandosi dietro ciascuna di esse.

Invece non lo fanno.

Al contrario, vanno verso alcune parti dello schermo e ne evitano altre, creando bande alternate di luce e di buio. Queste cosiddette frange di interferenza sono del tipo che si ottiene quando due insiemi di onde si sovrappongono. Quando le creste di un’onda si allineano con le creste di un’altra, si ottiene un’interferenza costruttiva (bande luminose), e quando si allineano con gli avvallamenti si ottiene un’interferenza distruttiva (buio).

Ma c’è solo un fotone che attraversa l’apparecchiatura in ogni dato momento. È come se il fotone stesse attraversando entrambe le fessure contemporaneamente, interferendo con se stesso. E questo non ha senso nella fisica classica.

Dal punto di vista matematico, tuttavia, ciò che attraversa entrambe le fessure non è una particella fisica o un’onda fisica, ma una cosa chiamata funzione d’onda, una funzione matematica astratta che rappresenta lo stato del fotone (in questo caso la sua posizione).

La funzione d’onda si comporta come un’onda che investe le due fenditure; nuove onde generate da ogni fenditura sul lato opposto si propagano e alla fine interferiscono l’una con l’altra. La funzione d’onda combinata può essere usata per calcolare le probabilità di dove potrebbe trovarsi il fotone.

Il fotone ha un’alta probabilità di trovarsi dove le due funzioni d’onda interferiscono costruttivamente e una bassa probabilità di trovarsi in regioni d’interferenza distruttiva. Si dice che la misurazione – questo caso l’interazione della funzione d’onda con la lastra fotografica – fa “collassare” la funzione d’onda, che passa dall’essere diffusa prima della misurazione all’essere concentrata in uno dei punti in cui il fotone si materializza dopo la misurazione.

Questo apparente collasso indotto dalla misurazione della funzione d’onda è la fonte di molte difficoltà concettuali nella meccanica quantistica. Prima del collasso, non c’è modo di dire con certezza dove inciderà il fotone: potrà apparire in uno qualsiasi dei punti di probabilità diversa da zero. Non c’è modo di seguire la traiettoria del fotone dalla sorgente al rivelatore. Il fotone non è reale nel senso in cui è reale un aereo che vola da San Francisco a New York.

Werner Heisenberg, tra gli altri, interpretò questa matematica sostenendo che la realtà non esiste fino a che non viene osservata. “L’idea di un mondo reale oggettivo le cui parti più piccole esistono oggettivamente nello stesso senso in cui esistono le pietre o gli alberi, indipendentemente dal fatto che le osserviamo o meno … è impossibile”, ha scritto.

Anche John Wheeler ha usato una variante dell’esperimento della doppia fenditura per sostenere che “nessun fenomeno quantistico elementare è un fenomeno fino a quando non si tratta di un fenomeno registrato (“osservato”, “registrato in modo indelebile”)”

Illustrazione dell'esperimento di Young

Illustrazione dell’esperimento di Young della doppia fenditura (Credit: Alexandre Gondran Wikimedia (CC BY-SA 4.0)

Ma la teoria quantistica non è del tutto chiara su che cosa costituisca una “misurazione”. Postula che il dispositivo di misurazione debba essere classico, senza definire dove sia il confine tra classico e quantistico, lasciando così la porta aperta a chi pensa che per il collasso debba essere invocata la coscienza umana.

Lo scorso maggio, Henry Stapp e colleghi hanno sostenuto  che l’esperimento della doppia fenditura e le sue varianti moderne forniscono la prova che “un osservatore consapevole potrebbe essere indispensabile” per dare un senso al regno quantistico e che una mente transpersonale è alla base del mondo materiale.

Ma quegli esperimenti non costituiscono una prova empirica di tali affermazioni. Nell’esperimento della doppia fenditura con singoli fotoni, tutto ciò che si può fare è verificare le previsioni probabilistiche della matematica. Se le probabilità sono confermate nel corso dell’invio di decine di migliaia di fotoni identici attraverso la doppia fenditura, la teoria afferma che la funzione d’onda di ciascun fotone è collassata, grazie a un processo mal definito chiamato misurazione. È tutto.

Ci sono anche altri modi d’interpretare l’esperimento della doppia fenditura.

Per esempio, la teoria di de Broglie-Bohm afferma che la realtà è sia ondulatoria sia particellare. Un fotone si dirige verso la doppia fenditura con una posizione definita in ogni momento e attraversa una fenditura o l’altra; quindi ogni fotone ha una traiettoria. Il fotone sta “cavalcando” un’onda pilota, che attraversa entrambe le fenditure e produce l’interferenza: viene quindi guidato in una posizione d’interferenza costruttiva.

Nel 1979, Chris Dewdney e colleghi del Birkbeck College di Londra simularono la previsione della teoria per le traiettorie di particelle che attraversavano la doppia fenditura.

Nell’ultimo decennio, i fisici sperimentali hanno verificato che tali traiettorie esistono, anche se hanno utilizzato una tecnica controversa chiamata misurazione debole. Nonostante le controversie, gli esperimenti mostrano che la teoria di de Broglie-Bohm è ancora in corsa come spiegazione del comportamento del mondo quantistico. Cruciale il fatto che la teoria non ha bisogno di osservatori né di misurazioni né di una coscienza non-materiale.

E nemmeno ne hanno bisogno le cosiddette teorie del collasso, che sostengono che le funzioni d’onda collassano in modo casuale: quanto più è elevato il numero di particelle nel sistema quantistico, tanto più è probabile il collasso. Gli osservatori si limitano a scoprire il risultato.

Il gruppo di Markus Arndt dell’Università di Vienna, in Austria, ha testato queste teorie inviando molecole sempre più grandi attraverso la doppia fenditura.

Le teorie del collasso prevedono che, quando hanno masse che superano una certa soglia, le particelle di materia non possano rimanere in una sovrapposizione quantistica e così attraversare entrambe le fenditure contemporaneamente: ciò distruggerà la figura d’interferenza. Il gruppo di Arndt ha inviato una molecola con oltre 800 atomi attraverso la doppia fenditura e ha continuato a vedere interferenze. La ricerca della soglia continua.

Werner Heisenberg (!901-1976) in un ritratto d’epoca (Wikimedia Commons)

Roger Penrose ha una sua versione di una teoria del collasso, nella quale quanto più è massiccio l’oggetto in sovrapposizione, tanto più velocemente collasserà in uno stato o nell’altro, a causa delle instabilità gravitazionali. Ancora una volta, si tratta di una teoria indipendente dall’osservatore. Non è necessaria alcuna consapevolezza. Dirk Bouwmeester dell’Università della California a Santa Barbara, sta testando l’idea di Penrose con una versione dell’esperimento a doppia fenditura.

Concettualmente, l’idea è non solo di mettere un fotone in una sovrapposizione di stati in modo che passi attraverso due fenditure contemporaneamente, ma anche di porre una delle fenditure in una sovrapposizione di due posizioni contemporanee.

Secondo Penrose, la fessura dislocata rimarrà in sovrapposizione o collasserà mentre il fotone è in volo, portando a diversi tipi di schemi di interferenza. Il collasso dipenderà dalla massa delle fenditure. Bouwmeester ha lavorato a questo esperimento per un decennio e potrebbe presto essere in grado di verificare o confutare le affermazioni di Penrose.

Se non altro, questi esperimenti stanno dimostrando che non possiamo ancora fare affermazioni sulla natura della realtà, anche se sono ben motivate matematicamente o filosoficamente. E dato che neuroscienziati e filosofi della mente non sono d’accordo sulla natura della coscienza, affermare che essa fa collassare le funzioni d’onda è prematuro, nella migliore delle ipotesi, e fuorviante e scorretto nel peggiore dei casi.

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