E. coli in rosso, cellule artificiali in verde. Immagine di Duhan Toparlak.

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IL TEST DI TURING PER LE CELLULE

Uno studio del CIBIO sulla comunicazione tra cellule artificiali e naturali

9 maggio 2017
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di Sheref S. Mansy
Professore associato di biochimica, Centro di Biologia Integrata (CIBIO), Università di Trento.

Gli strumenti con cui interroghiamo la biologia continuano a progredire a ritmo sostenuto, al punto che oggi conosciamo con dovizia di particolari la struttura di molte delle molecole della vita e possiamo persino sintetizzare e modificare genomi a nostro piacimento. Tuttavia, questi progressi strepitosi non hanno quasi per nulla toccato la nostra comprensione di che cosa sia la “vita”. Non esiste una definizione scientifica condivisa di “vita”. Oppure, per dirlo con altre parole, che differenza c’è tra chimica e biologia? 

Adottiamo un approccio alternativo per risolvere la questione di che cosa sia “vita” e proviamo a creare una cellula partendo da zero. Non c’è modo migliore per scoprire il funzionamento di qualcosa, che dimostrare di poter costruire tutto un insieme dai suoi elementi costitutivi. Ma anche questo approccio sembra presentare lo stesso problema, e cioè come possiamo costruire qualcosa che non sappiamo definire? Quale obiettivo ci prefiggiamo di preciso? Qualcuno potrebbe dire che si tratta semplicemente di creare qualcosa che si riproduca, perché tutti gli esseri viventi si riproducono. Ma un robot che costruisce un altro robot è vivo? Per superare i problemi che ruotano attorno alle definizioni di vita ci siamo ispirati alle soluzioni adottate in una situazione analoga nella comunità di studiosi di intelligenza artificiale. Nel 1950 Alan Turing, invece di dare una definizione di intelligenza, propose un test per stabilire se una macchina mostrasse un qualche livello di intelligenza. Il test determinava in che misura una macchina o un programma informatico riuscissero a imitare la comunicazione testuale. Se, per esempio, un essere umano fosse convinto di comunicare con una persona mentre invece sta interagendo con una macchina, la macchina supererebbe il test. Poiché tutti gli esseri viventi comunicano chimicamente, abbiamo cercato di attuare una versione cellulare del test di Turing chiedendoci questo: possiamo costruire una cellula artificiale che parli lo stesso linguaggio chimico dei batteri e, soprattutto, le cellule artificiali saprebbero parlare tanto bene da indurre i batteri a “credere” che esse sono veri “batteri” naturali?

Noel Yeh Martin e Roberta Lentini, due validi dottorandi del mio laboratorio (Laboratorio di Origine della Vita e Biologia Sintetica, CIBIO), sono riusciti a costruire cellule artificiali che parlano lo stesso linguaggio chimico del V. fischeri, un microrganismo marino. Le cellule artificiali sono in grado di sentire il V. fischeri e di rispondergli attraverso la percezione, la sintesi e il rilascio dei segnali chimici che il V. fischeri utilizza per comunicare. Quando i V. fischeri naturali comunicano tra loro, le cellule si illuminano (emettono luce). Si illuminano allo stesso modo anche quando comunicano con le nostre cellule artificiali. Attraverso un sequenziamento di RNA di prossima generazione, inoltre, siamo riusciti a quantificare in che misura le cellule artificiali imitino il V. fischeri: i dati indicano che le cellule artificiali assomigliano al V. fischeri al 39%. Quantificare numericamente la capacità delle cellule artificiali di imitare i batteri naturali è fondamentale perché ci consente finalmente di verificare se stiamo facendo progressi e di superare le descrizioni soggettive e qualitative di che cosa si intenda per “vita”.

Il nostro lavoro ha anche alcune potenziali applicazioni. Abbiamo dimostrato che le cellule artificiali possono comunicare con quattro diverse specie di batteri, frapporsi in nuovi percorsi di comunicazione tra organismi che parlano linguaggi chimici diversi fungendo da traduttori e, infine, interrompere la comunicazione tra patogeni. Quest’ultimo esempio è particolarmente importante perché i patogeni decidono quando attaccare in base a una valutazione della loro densità di popolazione, che effettuano comunicando tra loro. Le nostre cellule artificiali possono essere programmate per impedire la comunicazione tra batteri patogeni, riducendoli a uno stato più facilmente gestibile di minore virulenza. Con alcuni altri passi avanti, un giorno potremmo riuscire a ingerire cellule artificiali che sintetizzino e rilascino solo sostanze terapeutiche quando viene rilevato un patogeno, forse anche prima che ci accorgiamo dell’intrusione. 

[Traduzione Paola Bonadiman]

Su questi temi è stato pubblicato uno studio su ACS Central Science. La ricerca è finanziata della Fondazione Simons, della Fondazione Armenise-Harvard, della National Science Foundation e della Provincia autonoma di Trento. 

A CELLULAR VERSION OF THE TOURING TEST
The CIBIO research on communication between artificial and natural cells

The tools with which we interrogate biology continue to advance at a rapid pace, meaning that we now understand in exquisite detail the structure of many of the molecules of life and can even synthesize and modify genomes at will. But what these dazzling advances have left largely untouched is our lack of understanding of what life actually is. There is no agreed upon scientific definition of life. Or to put it another way, what is the difference between chemistry and biology? 

An alternative way forward is to try to learn about life by building a cell from scratch. There is no better way of knowing how something works than by demonstrating that you can fully build the system in question from its component parts. But this approach, too, appears to suffer from the same problem, i.e. how can we build something that we cannot define? What exactly is the goal? Some may say that the goal should be simply to build something that can reproduce, because living things tend to have children. But is a robot that builds another robot alive? To get around such problems that revolve around definitions of life, we took inspiration from the way in which many in the artificial intelligence community dealt with a similar problem. Instead of defining what intelligence is, Alan Turing in 1950 proposed a test to evaluate if a machine displays some level of intelligence. The test gauged how well a machine or computer program could imitate textual communication. If a human thought they were texting with another person rather than a machine, for example, then the machine passed. Since all living things communicate chemically, we sought to implement a cellular version of the Turing test. That is, could we build an artificial cell that speaks the same chemical language of bacteria, and more importantly, would the artificial cells speak well enough to trick the bacteria into "thinking" that the artificial cells are natural bacteria?

Noel Yeh Martin and Roberta Lentini, two talented PhD students in my laboratory (Origins of Life and Synthetic Biology Lab, CIBIO), succeeded in building artificial cells that could speak the same chemical language as the marine microorganism V. fischeri. The artificial cells could hear V. fischeri and in response speak to V. fischeri by sensing, synthesizing, and releasing the chemical signals that V. fischeri uses to communicate. When natural V. fischeri speak with each other, the cells luminesce (give off light). When talking with our artificial cells, V. fischeri similarly luminesce. Additionally, we were able to quantify through next generation RNA sequencing how well the artificial cells imitated V. fischeri. The data revealed that the artificial cells were 39% V. fischeri-like. We view the ability to put a number on how well the artificial cells imitate natural bacteria to be quite important, because now we can finally assess if we are making progress. We are no longer stuck with subjective, qualitative descriptions of life.

Our work has some potential applications as well. We demonstrated that artificial cells could communicate with four different kinds of bacteria, could mediate new communication paths between organisms that speak different chemical languages by functioning as a type of translator, and finally, our artificial cells could disrupt communication between pathogens. The latter example is particularly significant, because pathogens decide when to attack based on an assessment of their population density, which is made by talking with each other. Since our artificial cells can be engineered to silence communication between pathogenic bacteria, the pathogens remain in a less virulent, more easily manageable state. With several more advancements, one day we may be able to ingest artificial cells that only synthesize and release therapeutic agents when a pathogen is detected, perhaps even before we realize the intrusion.

A study about those topics was published in ACS Central Science. The research was funded by the Simons Foundation, the Armenise-Harvard Foundation, the National Science Foundation and the Autonomous Province of Trento.