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Stiamo passando dall’era della fisica a quella della biologia?

di Achille De Tommaso

 

Una decina di anni fa mi preoccupai parecchio quando, essendo d tempo felicemente laureato in fisica, cominciai a sentire affermazioni del tipo:”la Biologia sarà la scienza del 21mo secolo e soppianterà l’importanza della Fisica”.”Ma come – mi chiesi – dopo tanta fatica a studiare quella che era considerata la regina delle scienze, adesso essa dovrebbe capitolare nei confronti di una scienza che non è altro che osservazione?”

In realtà non tutti se ne sono accorti, ma la Scienza sta attraversando un evento epocale, quello in cui essa sta abbandonando l’era del Riduzionismo (1), per entrare nell’era dell’Emergenza (2). E questo fatto è considerato rivoluzionario; tanto che alcuni hanno preso l’abitudine di definire tale cambiamento, appunto, come il passaggio della Scienza dall’era della Fisica, a quella della Biologia.

Ma sarebbe forse meglio pensare che queste scienze si fonderanno.

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LA NATURA NON E’ UNA SEMPLICE SOMMA DI PARTI

La ricerca scientifica starebbe attraversando un momento epocale; che passa dal cercare la comprensione della natura attraverso la sua scomposizione in parti sempre più piccole, alla sua comprensione cercando di capire come si organizza.

La Natura è piena di sorprese. Quando fu dimostrata per la prima volta l'esistenza degli atomi (ed era solo all’inizio del secolo scorso), si pensava che fossero fatti solo di elettroni e protoni. Poi, nel 1932, James Chadwick scoprì il neutrone. E improvvisamente tutto ebbe un senso, così tanto che ci vollero solo altri 13 anni per costruire una bomba atomica.

All'inizio di questo decennio, due giganti della biologia e della tecnologia, Craig Venter e Steve Jobs, fecero previsioni per il corrente secolo. "Se il 20° secolo è stato il secolo della fisica", disse Craig Venter, "il 21° secolo sarà il secolo della biologia". Steve Jobs acconsentì, affermando: "Le più grandi innovazioni del 21° secolo saranno all'intersezione tra biologia e tecnologia".  Quello che facciamo oggi dipende dalla nostra immagine del futuro piuttosto che dal futuro a seconda di ciò che facciamo oggi, come dice Ilya Prigogine (3): “Le equazioni del futuro sono scritte nelle nostre azioni oltre che nella natura”.

E Prigogine incalza:” il riduzionismo è fallito, le scienze fisiche, oggi, tendono a descriverci un Universo come frammentato; mentre la Vita si mostra, o si fa intuire, invece, in tutta una sua complessità che non è riducibile a schemi.”

Per quanto riguarda la biologia, per più di mezzo secolo la sua storia fondamentale è stata la storia dell'interazione tra i geni, sotto forma di DNA, e le proteine; che i geni codificano, e che svolgono il compito di mantenere in vita gli organismi viventi. Gli ultimi anni, tuttavia, hanno visto l'ascesa dell’interesse su di un terzo tipo di molecola, chiamata RNA; è questo è estremamente importante.

L'RNA è in realtà noto da tempo; fino a pochi anni fa, tuttavia, il suo ruolo sembrava limitato al recupero e al trasporto di DNA e proteine. Ma ora l'RNA appare essere molto più importante (5): può, infatti, essere il principale regolatore di ciò che accade in una cellula, il suo sistema operativo. Oggi, quindi, i biologi sono passati dal pensare di sapere abbastanza bene cosa sta succedendo nel loro campo, al rendersi improvvisamente conto di avere a malapena un indizio.

C'è in biologia in questo momento un senso di aspettative appena contenute che ricorda le scienze fisiche all'inizio del XX secolo. È una sensazione di avanzamento nell'ignoto utilizzando però moderne tecnologie; e vediamo come.

 

LA TECNOLOGIA DELL’IA SCOPRE I MATTONI DELLA VITA

Le proteine sono i mattoni della vita, sono alla base di ogni processo biologico in ogni essere vivente. E, poiché la forma di una proteina è strettamente collegata alla sua funzione, conoscere la struttura di una proteina sblocca la comprensione di ciò che fa e come funziona. Nell’agosto 2022 è stato annunciato che l’Intelligenza Artificiale di Google DeepMind (9) ha risolto una delle grandi sfide della biologia, il protein folding, elaborando il sistema AlphaFold, che è in grado di determinare la struttura 3D di una proteina in poche ore, a fronte degli anni richiesti con i classici metodi sperimentali. Il sistema AlphaFold rivoluzionerà la scoperta e lo sviluppo di nuovi farmaci e cure, offrendo un enorme contributo al mondo della biologia e della medicina.

Una volta che l'elenco delle parti di biologia verrà via via chiarito, infatti, gli ingegneri utilizzeranno quelle conoscenze per inventare nuovi tipi di tecnologie utili per la vita. Pertanto, ora che sappiamo come sono fatte le proteine, possiamo manipolarle per usi particolari, per produrre i farmaci.  Consideriamo che, già oggi, dei 10 farmaci più venduti, sette sono biologici. I farmaci biologici sono tipi relativamente nuovi di farmaci che derivano dalla comprensione del modo in cui gli acidi nucleici trasportano informazioni, nel DNA e nell'RNA, e vengono poi tradotti in proteine. A differenza dei farmaci tradizionali, i farmaci biologici possono colpire un bersaglio cellulare con estrema precisione favorendone l’utilizzo per il trattamento della causa di una malattia piuttosto che per curare i sintomi.  

 

MOLTI PROBLEMI DELL’UMANITA’ SONO BIOLOGICI, E VENGONO OGGI STUDIATI CON “TECNOLOGIE BIOLOGICHE”.

La fisica ha dato due cose al XX secolo. Il dono più ovvio è stato il potere sulla natura; potere non sempre benigno, come ha mostrato la bomba atomica. E poi la Tecnologia derivante dalle conoscenze della Fisica, che chiamerò “tecnologia fisica”: dalle automobili e dagli aeroplani ai computer e a Internet. Ma c’è oggi la “tecnologia biologica”.

È troppo presto per essere sicuri se la caratteristica distintiva del 21° secolo sarà la “tecnologia biologica”, ma ci sono buone probabilità che lo sia. La semplice ingegneria genetica è ormai di routine; è stata infatti recentemente depositata la prima domanda di brevetto per un organismo vivente artificiale e molte domande di brevetti in biotecnologie stanno seguendo lo stesso iter (6). E non è semplicemente che queste cose siano ora possibili; alcune sono “necessarie”. Molti dei grandi problemi che l'umanità deve infatti oggi affrontare sono biologici, o sono suscettibili di intervento biologico. La questione di come affrontare il tema di una popolazione che invecchia è un esempio. Anche il cambiamento climatico è intimamente legato alla biologia poiché i suoi effetti impattano sulla qualità di vita e sulla vita stessa delle persone. E il rischio che una nuova, letale infezione diventi improvvisamente pandemia a causa dei moderni mezzi di trasporto è biologico quanto mai. E sono solo esempi.

 

DNA E CELLULE STAMINALI

Nel giugno 2000, Bill Clinton e Tony Blair, presidente degli Stati Uniti e primo ministro britannico dell'epoca, tennero una conferenza stampa alla Casa Bianca per celebrare il completamento di una prima bozza del codice genetico umano. Nel frattempo, i bioscienziati si stavano dando da fare per sfruttare una delle grandi scoperte della fine degli anni '90: come estrarre cellule staminali da embrioni umani, per un certo numero di applicazioni.

Dopo lo studio dei geni, le cellule staminali hanno quindi fornito un secondo tema della ricerca biomedica negli ultimi 10 anni. Queste cellule immature forniscono la via d'accesso alla medicina rigenerativa: il sogno di sostituire cellule o parti del corpo invecchiate, malate o danneggiate con nuove cellule.  

Ma per la maggior parte del decennio l'enfasi è stata sulle cellule staminali embrionali umane, scoperte da James Thomson all'Università del Wisconsin nel 1998. Queste sono le cellule staminali più versatili, con il potenziale per diventare qualsiasi tipo di cellula specializzata nel corpo, da osso al cervello.

Le cellule staminali embrionali hanno anche provocato polemiche politiche perché la loro produzione comporta la distruzione di un embrione umano precoce. Molti paesi hanno vietato la ricerca sugli embrioni umani o hanno posto limitazioni rigorose ad essa.

Anche così, gli scienziati hanno compiuto molti progressi nel superare gli ostacoli all'utilizzo delle cellule staminali embrionali. I primi studi clinici sulle cellule staminali embrionali – per il trattamento di lesioni spinali o malattie della retina – hanno preso forma fin dal 2010.

Negli ultimi anni, però, l’attenzione si è in qualche modo allontanata dalle cellule staminali embrionali, in parte perché è stato riscontrato un potenziale aggiuntivo nelle cellule staminali prelevate da tessuti adulti, meno versatili ma più facilmente gestibili.

Ma la scoperta più significativa è quella di un tipo di cellula, chiamata cellula staminale pluripotente indotta o iPSC, che si ottiene trattando le cellule adulte con un cocktail biochimico che le trasforma direttamente in uno stato embrionale senza dover creare un vero embrione nel processo.

Molto lavoro deve essere svolto nei prossimi anni per determinare la stabilità e la sicurezza delle iPSC prima che possano essere prese in considerazione per le sperimentazioni cliniche. Ma alla fine potrebbero offrire i benefici delle cellule staminali embrionali senza le obiezioni pratiche ed etiche.

Un segno di progresso è l'emergere, poi, negli ultimi anni dei GWAS (genome-wide association studies; studi di associazione sull'intero genoma). Ciò comporta la scansione dei genomi di decine di migliaia di persone che soffrono di una particolare malattia e il confronto con il DNA di una popolazione sana. Le differenze rivelano indizi sulle cause genetiche della malattia; migliorando così le possibilità di diagnosi e di cura.

 

LETTURA DEL GENOMA

L'organizzazione del genoma umano si basa sulla fisica dei diversi stati della materia, come liquido e solido. Quasi vent’anni dopo la conclusione del progetto genoma umano, a marzo 2022 è stato annunciato che la sequenza completa di un nuovo genoma umano è stata realizzata (7) grazie al lavoro del gruppo di ricerca del dipartimento di Biologia dell’Università degli Studi di Bari e dei ricercatori di diverse università internazionali, quali la University of Washington School of Medicine, la Johns Hopkins University, l’University of California Santa Cruz, il National Human Genome Research Institute. Utilizzando approcci multipli genomici, fisici e bioinformatici, i ricercatori hanno sequenziato interamente i cromosomi, colmando le lacune delle sequenze conosciute in precedenza. La lettura del genoma appare oggi un ottimo sistema di prevenzione di alcune gravi patologie, identificando la predisposizione genetica della persona ad esse.

(Per informazione: compagnie che analizzano il DNA dell'uomo, in Italia, ce ne sono almeno quattro: Genomnia a Lainate, IGA Technology Services a Udine, BMR Genomics a Padova e Personal Genomics a Verona. (8))

Di solito, per sapere che rischio c'è di incorrere in una malattia, che si sia già manifestata in famiglia, si analizzano solo certe regioni del DNA. Un'altra possibilità è quella di farsi sequenziare l'intero genoma

 

FARMACOGENOMICA E MEDICINA PERSONALIZZATA

Anche la “farmacogenomica”(branca della biologia molecolare che si occupa di indagare sugli effetti di un determinato farmaco in base al genotipo dell’individuo. il rapporto tra variazione genetica e trattamento farmacologico), sta avanzando rapidamente. Una grande lacuna di informazioni deve essere, però, ancora colmata prima che arrivi davvero la medicina personalizzata. Ciò richiederà non solo una sequenza di DNA conveniente per ciascun paziente, ma anche un modo affidabile per tradurre i risultati in conseguenze mediche prevedibili, che possano quindi essere prevenute o trattate.

 

MA LA BIOLOGIA E’ SPECULATIVA COME LA FISICA, O E’ SOLO OSSERVAZIONE?

La Biologia è “bella” come la Fisica? Molti pensano che la bellezza della fisica stia nel fatto che essa sia anche un “scienza speculativa”, che elabora teorie basate sull’analisi matematica e non ancora confermate sperimentalmente; e si dice spesso che non c'è posto per la speculazione in biologia e che la biologia non sia teorica, ma basata sull'interpretazione dei dati. In realtà appare il contrario, cioè che le teorie speculative abbiano, nella biologia, sempre svolto un ruolo critico e che, quindi, questa, sia addirittura molto più teorica della fisica. Il recettore è un esempio calzante. Oggi conosciamo molti diversi tipi di recettori e abbiamo identificato le famiglie geniche corrispondenti in vari genomi. La teoria dei recettori, tuttavia, emerse nell'era pre-molecolare, nel lavoro di Paul Ehrlich e John Newport Langley. Fu quest'ultimo a vedere, nell'interazione antagonista dei farmaci alcaloidi, la prova di una "sostanza ricettiva" a cui i farmaci si sarebbero legati chimicamente.

L'esempio più importante di un'entità biologica la cui natura chimica è rimasta misteriosa, mentre i calcoli matematici ne hanno permesso un ampio uso, è, ovviamente, il gene. Nel 1965 il genetista Morgan affermava:” Non c'è consenso di opinione su cosa siano i geni, se siano reali o puramente fittizi; solo la matematica può tenerti sulla retta via in mezzo a tale incertezza ontologica. Uno dei concetti più importanti e produttivi della biologia moderna è stata, per così tanto tempo, una speculazione matematica”.

 

L’EPIGENETICA

Uno dei rami più avanzati della biologia è l’Epigenetica. Essa descrive come il mondo fisico possa impattare sui geni. I geni svolgono infatti un ruolo importante nella salute, perché determinano le caratteristiche congenite ed ereditarie dell’individuo; ma l’epigenetica dimostra che sono anche importanti i comportamenti e l'ambiente, l’alimentazione; e quanto si sia fisicamente attivi. L'epigenetica è lo studio di come i comportamenti e l'ambiente possano addirittura causare cambiamenti che influenzano il modo in cui funzionano i geni. A differenza dei cambiamenti genetici, i cambiamenti epigenetici sono reversibili e non cambiano la sequenza del DNA, ma possono cambiare il modo in cui il corpo legge una sequenza del DNA (11). E quindi conoscenze epigenetiche possono guarirci e allungarci la vita.

 

FORSE ALLA FINE, TUTTE LE CONOSCENZE SI FONDERANNO IN UN'UNICA SCIENZA

 

“La biofisica non è tanto un argomento quanto un punto di vista. È un approccio ai problemi della scienza biologica che utilizza la teoria e la tecnologia delle scienze fisiche. Al contrario, la biofisica è anche l'approccio di un biologo ai problemi delle scienze fisiche e dell'ingegneria, sebbene questo aspetto sia stato ampiamente trascurato”. Otto Herbert Schmitt, In “Appreciation, A Lifetime of Connections”

 

Più recentemente un termine che è sembrato descrivere questo concetto di convergenza è la biomimetica. Essa si concentra sugli aspetti funzionali che i modelli biologici possono offrire per creare soluzioni progettuali. Biomimetica (dal greco “βιός μίμησις”) significa imitazione della vita ovvero imitazione della natura. La biomimetica è una scienza che, osservando la natura, trae spunti utili a riprodurre artificialmente strutture, forme e materiali. Molte sono le discipline che traggono giovamento dalla biomimetica a partire dall’ingegneria, la chimica, la fisica, la biologia, la scienza dei materiali. In tutti gli organismi, dai più elementari a quelli più complessi, è possibile osservare una sorta di grande catalogo di materiali, architetture, sistemi e funzioni di rilevante interesse scientifico e tecnologico. L’approfondimento delle loro caratteristiche ha permesso la realizzazione di nuovi materiali prima impensabili. Le applicazioni spaziano dalla vita quotidiana alle tecnologie più avanzate.

Ad esempio la realizzazione di smart materials pone chi li progetta davanti ad una spontanea domanda: “Come progetta la Natura?”

 

 

LA BIOLOGIA QUANTISTICA; FISICA VS. BIOLOGIA.

 

È chiaro oggi che i modelli classici “a grana grossa” non riescano a fornire un quadro accurato di una serie di processi che hanno luogo nei sistemi viventi. Si sta oggi studiando, quindi, la misura in cui gli effetti quantistici svolgano un ruolo nei processi biologici. I sistemi biologici sono dinamici, scambiano costantemente energia e materia con l'ambiente al fine di mantenere lo stato di non equilibrio, sinonimo di vita. Gli sviluppi nelle tecniche di osservazione ci hanno permesso di studiare la dinamica biologica su scale sempre più piccole. Tali studi hanno rivelato prove di effetti quantomeccanici, che non possono essere spiegati dalla fisica classica, in una serie di processi biologici. La biologia quantistica è lo studio di tali processi (es.: In che modo il DNA, con nucleotidi impilati separati da circa 0,3 nm, gestisce i fotoni UV).

Sicuramente il XXI secolo non abbandonerà la fisica per la biologia; sappiamo che, da tempo, i biologi studiano anche fisica. Anche i fisici si stanno, però, attrezzando; in Italia l'Istituto di Biofisica (IBF) nasce dalla fusione di cinque strutture di ricerca del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). L'attuale staff dell'IBF comprende fisici, chimici, biochimici, biologi molecolari e fisiologi; le ricerche spaziano dalla bioinformatica, alla biologia molecolare, alla biofisica. Nasce la “stirpe dei fisici biologici”; i quali studiano la materia vivente. Sicuramente la materia più interessante dell’universo.

 

RIFERIMENTI

1. RIDUZIONISMO: Un riduzionista ritiene che un sistema complesso non sia nient’altro che la somma delle sue parti, per cui si può dar ragione del sistema “riducendone” la considerazione a quella dei singoli costituenti.   E, da questo punto di vista, la fisica delle particelle elementari viene ad essere la disciplina fondamentale: tutte le altre cose, compreso il resto della fisica, attraverso la biologia e, più in su, attraverso la psicologia, l’antropologia e la sociologia non sarebbero altro che corollari. Ci troveremmo ad avere l’equivalente moderno dell’antica asserzione che tutto è fatto «di atomi e di vuoto».
2. EMERGENZA: Benché vi siano delle difficoltà tecniche nel definire con precisione il significato di “crescita della complessità”, è intuitivamente convincente il fatto che una successione come quella del tipo quark, molecola, cellula, entità pluricellulare, essere cosciente, essere autocosciente, rappresenti una scala ascendente, di cui è importante riconoscere che non è semplicemente la “grandezza” a costituire l’essenza della complessità, ma il grado di intrinseca interrelazione e reciprocità presente tra le parti. I livelli di una gerarchia possono essere distinti grazie all’“emergenza” di alcune proprietà che si presentano ad un livello superiore, delle proprietà cioè che non si manifestano ai livelli più bassi. La vita e la coscienza rappresentano i due esempi di emergenza forse a noi più noti e che maggiormente ci meravigliano: vita e coscienza non si spiegano semplicemente sommando le caratteristiche dei componenti di gerarchia inferiore.
3. PRIGOGINE: Ilya Romanovich Prigogine (1917-2003), chimico e fisico, è stato tra i protagonisti della cultura scientifica e filosofica del XX secolo; https://www.biuso.eu/2008/12/22/la-nuova-alleanza-metamorfosi-della-scienza/
4. Biology is more theoretical than physics: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3681688/
5. https://www.economist.com/briefing/2007/06/14/really-new-advances
6. https://www.iusinitinere.it/la-brevettabilita-delle-biotecnologie-la-disciplina-nazionale-31071
7. COMPLETATA LA MAPPATURA DEL GENOMA UMANO https://www.dire.it/01-04-2022/720481-completata-la-mappatura-del-genoma-umano-anche-ricercatori-di-bari-nel-team-di-studio/
8. CHI, IN ITALIA, FA LA MAPPATURA DEL NOSTRO GENOMA?https://www.scienzainrete.it/articolo/fare-mappa-del-dna-pu%C3%B2-cambiare-vita/giuseppe-remuzzi/2014-07-29
9. DeepMind è un'azienda inglese di intelligenza artificiale controllata da Alphabet. La società ha sede a Londra, con centri di ricerca in Canada, Francia e Stati Uniti. Fondata nel 2010 come DeepMind Technologies, viene acquisita da Google nel 2014. Nel 2016, grazie al proprio innovativo software AlphaGo, batte uno dei giocatori più forti del mondo nel gioco del go, Lee Sedol, acquisendo con ciò molta visibilità mediatica. I primi lavori si focalizzavano sul far sì che l'intelligenza artificiale imparasse a vincere a videogiochi degli anni settanta-ottanta, come Pong, Breakout e Space Invaders. L'IA veniva introdotta a questi giochi senza conoscerne le regole, ma grazie all'apprendimento automatico, giocando varie partite, ne imparava le regole e con il passare del tempo scopriva dei modi per vincere in modo facile e veloce.
10. RICERCA GENOMICA https://www.technologynetworks.com/genomics/news/organization-of-the-human-genome-relies-on-physics-of-different-states-of-matter-349426
11. EPIGENETICA https://www.hoepli.it/libro/il-nuovo-libro-dell-epigenetica-la-scienza-per-costruire-la-nostra-salute/9791220346016.html