Biologia, informatica e ingegneria convergono a Schällemätteli

In Svizzera l’idea che il Politecnico di Zurigo istituisse un Dipartimento di Biosistemi a Basilea sembrò per lungo tempo irrealizzabile.

Oggi trova posto in un nuovo edificio in cui le linee di demarcazione tra biologia, informatica e ingegneria si confondono e i ricercatori si concentrano sempre più sulle applicazioni mediche.

Una vista impressionante attende i primi visitatori del nuovo edificio del BSS.

Subito dopo l’area della reception, ci si immerge in uno spazio sorprendentemente luminoso e arioso, un atrio imponente inondato di luce e sormontato da un tetto di vetro trasparente.

Alla fine di questo enorme ingresso, una scala elicoidale si snoda fino ai piani superiori.

L’impressione è quella di un’infinità di linee di collegamento, ma ciò è assolutamente voluto: è uno stratagemma deliberato dagli architetti per favorire la comunicazione e l’interazione tra i gruppi di ricerca.

In questo momento, l’atrio è affollato di studenti con lo zaino in spalla, alcuni dei quali scendono il percorso curvilineo verso l’accogliente bistrot.

I ricercatori in attesa dell’ascensore si fermano per una breve chiacchierata prima di salire ai loro posti di lavoro.

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Renato Paro: “Questo edificio rappresenta il culmine di un percorso straordinario”

Al centro dell’atrio ci sono Renato Paro e Sven Panke.

Il primo, ora professore emerito di biologia molecolare, è ancora visibilmente colpito dal concetto architettonico.

“Quando cammino nell’edificio del BSS e vedo tutti questi uffici, laboratori e piattaforme di ricerca comuni, mi sembra che tutto il tempo e gli sforzi che abbiamo investito per creare il nostro dipartimento siano davvero valsi la pena”, dice.

Nominato primo direttore del nascente Center of Biosystems Science and Engineering (C-BSSE) nel 2006, Renato Paro è poi diventato una delle forze trainanti nella creazione del Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) dell’ETH.

“Per me questo immobile rappresenta il culmine di un percorso straordinario”, afferma.

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Sven Panke: “In ogni piano un mix di gruppi di ricerca anziché per aree tematiche”

“Fin dalla fase di progettazione, il nostro obiettivo era quello di creare un edificio in cui tutti i vari componenti incoraggiassero l’interazione e lo scambio scientifico“, continua Panke.

Quest’anno egli prenderà le redini del dipartimento e annuisce spesso quando parla, sottolineando altresì come tutti i professori presenti abbiano costantemente contribuito a costruire qualcosa di bello sulla base di un concetto originale: “Abbiamo deciso che ogni piano avrebbe dovuto avere un mix di gruppi di ricerca anziché organizzati per aree tematiche”.

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Biologia sperimentale, teorica computazionale e bioingegneria a stretto contatto

Il dipartimento è diviso in tre aree principali (biologia sperimentale, biologia teorica computazionale e bioingegneria) e ogni piano dell’edificio ospita un mix di biologi sperimentali, bioinformatici e bioingegneri, che lavorano in uffici e laboratori adiacenti.

“Abbiamo capito subito che uno dei principali vantaggi del D-BSSE era quello di riunire tutte e tre queste aree di ricerca sotto un unico ombrello per incoraggiare i gruppi a comunicare tra loro. E ora che siamo tutti sotto lo stesso tetto, è ancora più facile mescolarsi e interagire”, dice Panke.

“Questa è l’interdisciplinarità in azione, e attira ricercatori da tutto il mondo“.

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Ricercatori provenienti da ben 42 Paesi, i casi di Niko Beerenwinkel e Tanja Stadler

Il D-BSSE impiega attualmente studiosi provenienti da 42 Paesi diversi.

Il laboratorio di bioprocessi di Sven Panke, ad esempio, si trova sullo stesso piano del gruppo guidato da Niko Beerenwinkel.

Entrambi sono grandi sostenitori della missione speciale del dipartimento, che cerca di combinare la ricerca di base nelle scienze della vita con un approccio matematico e informatico, incorporando anche una componente tecnologica e ingegneristica.

Panke è specializzato in tecniche di miniaturizzazione per l’ingegneria dei bioprocessi, che possono essere utilizzate per scoprire e controllare sinteticamente varianti cellulari migliorate.

Beerenwinkel, invece, unisce matematica, informatica e intelligenza artificiale alla biologia e alla medicina.

Le applicazioni dei suoi metodi computazionali includono la capacità di caratterizzare e descrivere le malattie virali a livello molecolare.

I suoi modelli si sono rivelati uno strumento molto utile durante la pandemia di coronavirus.

Insieme a Tanja Stadler, docente di evoluzione computazionale presso il D-BSSE e presidente del gruppo consultivo scientifico svizzero per il COVID-19, ha svolto un ruolo importante negli sforzi per individuare nuove varianti del virus e per seguirne l’evoluzione e la diffusione.

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Cellule, organoidi e microrganismi con proprietà che non si trovano in natura

Il lavoro dei ricercatori del D-BSSE si basa sulle fondamenta della biologia dei sistemi.

Il suo obiettivo è generare una comprensione olistica del funzionamento di cellule, organi e organismi e dei processi temporali e biochimici che li mantengono in vita.

Per studiarlo, i ricercatori utilizzano in genere grandi serie di dati, generati da tecnologie ad alto rendimento come i sequenziatori di DNA, nonché modelli matematici e simulazioni al computer.

La biologia dei sistemi svolge un ruolo importante anche nel secondo filone di ricerca del D-BSSE.

Si tratta della biologia sintetica, il cui obiettivo principale è produrre cellule, organoidi e microrganismi con nuove proprietà che non si trovano in natura, molte delle quali offrono potenziali benefici medici.

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Le piste: vaccini e anticorpi per l’immunologia sintetica e tecnologie lab-on-chip

Il lavoro del D-BSSE nel campo della bioingegneria, che utilizza il DNA per regolare cellule e organismi, ha un obiettivo altrettanto pratico.

I risultati concreti di questa ricerca includono vaccini e anticorpi per l’immunologia sintetica, nonché impianti cellulari che possono aiutare a combattere i disturbi metabolici e piattaforme miniaturizzate come le tecnologie lab-on-chip.

“Due delle aree di lavoro pionieristiche del nostro dipartimento di Basilea sono la bioingegneria e la scienza dei dati computazionali”, afferma ancora Panke, che fa parte del Department of Biosystems Science and Engineering dal 2009.

“È logico che mostriamo anche ai nostri studenti i vantaggi dell’unione di queste due componenti”.

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Un’idea ETH germogliata nel 2000 malgrado lo scetticismo della stampa zurighese

L’idea di creare un istituto di ricerca sulle bioscienze del Politecnico di Basilea ha iniziato a germogliare nel 2000.

Guardando indietro, è chiaro quanto fosse audace questa visione.

Altrettanto astuta è stata la decisione del Politecnico di Zurigo di trasformare il D-BSSE in un dipartimento separato a Basilea nel 2007 e di fornirgli finanziamenti sicuri a lungo termine.

Naturalmente, l’evoluzione del Department of Biosystems Science and Engineering non è stata sempre rose e fiori: nel 2003, ad esempio, la Neue Zürcher Zeitung raccontò in alcuni articoli che il progetto di creare un avamposto dell’ETH nella città renana stava incontrando delle difficoltà.

Il giornale esprimeva stupore per i piani del Politecnico di Zurigo di creare un vero e proprio dipartimento di bioingegneria o ingegneria biomedica a Basilea: “Un’idea così grandiosa sembra quasi irrealizzabile”.

Ma lo scetticismo dei giornalisti si è rivelato infondato.

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Dalla sede di Rosental all’edificio BSS dell’attuale Campus di Scienze della Vita

La fase successiva dello sviluppo del D-BSSE è avvenuta con il trasferimento dalla sede di Rosental all’edificio BSS del Campus di Scienze della Vita di Schällemätteli.

Poiché la biologia dei sistemi e la biologia sintetica guadagnano terreno e le conoscenze in queste aree continuano a progredire, si pone sempre più l’accento sulla traduzione dei risultati della ricerca di base in applicazioni mediche.

“Oggi la biologia dei sistemi ha spesso una comprensione così profonda del funzionamento di una cellula da poter fornire la maggior parte delle informazioni per il controllo dei processi chiave all’interno della cellula”, spiega Paro.

“Sfruttando questa esperienza, i biologi sintetici possono riprogrammare una cellula affinché svolga un nuovo compito. In futuro, queste cellule riprogrammate potrebbero essere utilizzate per scopi terapeutici”.

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Il successo della ricerca traslazionale in strutture di Good Manufacturing Practice

Ma tali cellule possono essere utilizzate nei pazienti solo se prodotte nel rispetto dei più severi standard farmacologici.

Prima del trasferimento, il D-BSSE non disponeva delle infrastrutture necessarie a questo scopo, ma il nuovo edificio del BSS è dotato di una struttura GMP, cioè di Good Manufacturing Practice.

“Questo significa che ora possiamo passare alla fase traslazionale della nostra ricerca”, afferma Paro.

“Lavorando in condizioni GMP, possiamo migliorare le cellule riprogrammate e purificarle in modo da poterle utilizzare negli studi clinici”.

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Cure mediche con l’aiuto dell’Università e dell’Ospedale Universitario di Basilea

La nuova struttura GMP o Good Manufacturing Practice è gestita dal Politecnico di Zurigo in collaborazione con l’Università di Basilea e l’Ospedale Universitario di Basilea.

Fornisce ai ricercatori un ambiente rigorosamente controllato e destinato alla produzione di prodotti per la terapia genica, cellulare e tissutale conformi ai requisiti normativi per la sperimentazione clinica sull’uomo.

Questa evoluzione verso la ricerca traslazionale è stata facilitata anche dalla nuova sede del D-BSSE nel Campus di Scienze della Vita di Schällemätteli, che si trova nelle immediate vicinanze dell’Ospedale Universitario di Basilea, dell’Ospedale Pediatrico Universitario di Basilea e del Biozentrum dell’Università di Basilea.

Anche il Dipartimento di Biomedicina dell’Università di Basilea e il Centro di Ricerca per la Salute Infantile della città renana stanno progettando di costruire nuovi locali nelle vicinanze.

Questa vicinanza dovrebbe accelerare ulteriormente la traduzione della ricerca biologica in applicazioni mediche.

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