Tradotto da Attilia Dente

Leroy Hood spiega la biologia dei sistemi Immagine cortesemente messa a disposizione dall’EMBL Photolab

Leroy Hood racconta a Marlene Rau, Anna-Lynn Wegener e Sonia Furtado della sua antica passione per l’insegnamento innovativo della scienza e di come si è giunti a considerarlo il fondatore della biologia dei sistemi. “Gli studenti odiano insegnamenti didattici, odiano ascoltare lezioni ed odiano la semplice presentazione dei fatti. Ciò che piace agli studenti, soprattutto ai più giovani, è il coinvolgimento, il fare le cose con le proprie mani”.

Tenendo conto di questo, Leroy Hood, un uomo che se decide di cambiare il mondo, va e lo fa, aveva deciso di cambiare la modalità di insegnamento della scienza in tutte le scuole di Seattle: “Praticamente, quando ci siamo trasferiti qui nel 1992, avevamo intenzione di attuare una scienza basata sull’indagine^w1. Il nostro primo sforzo è stato il far convertire tutte le 72 scuole elementari di Seattle -per un totale di 23000 studenti e 1100 insegnanti- a questo approccio. Si trattava, innanzitutto, di realizzare una serie di workshop nell’arco di cinque anni, per dare agli insegnanti delle istruzioni di 100 -150 ore sia sui metodi che sui contenuti. Si ha bisogno di entrambi: se è tutto metodo e non ci sono i contenuti, allora non funziona. Probabilmente, abbiamo raggiunto tra il 90 e il 95% degli insegnanti e abbiamo veramente cambiato la concezione del sistema scolastico sull’insegnamento. Successivamente abbiamo continuato su questa linea sovvenzionando le scuole medie affinché facessero lo stesso. E avremmo avuto una sovvenzione per le scuole superiori, se non fosse stato per il fatto che ci è stata data quando Bush fu eletto presidente. Questi, infatti, cancellò tutti i fondi per l’istruzione. Così l’attuazione del progetto all’interno delle scuole superiori è stata più lenta…”

Durante i workshop, venivano consegnati dei kit agli insegnanti, che potevano poi essere utilizzati nelle classi: “ Un kit aveva lo scopo di far capire il principio di Archimede facendo costruire agli studenti delle barche di forme diverse. Così si doveva cercare di comprendere la relazione esistente tra la forma della barca e lo spostamento dell’acqua. Ma era ancor più importante per gli insegnanti, perché li aiutava a comprendere la scienza più approfonditamente: la gravità specifica dell’acqua, lo spostamento, le forze di galleggiamento… La maggior parte degli insegnanti americani ha delle basi minime in scienze; nella scuola elementare, solo il 3-4% degli insegnanti ha avuto una vera preparazione in scienze. E poiché a quel livello c’è solo un’insegnante ad occuparsi di una classe, molti studenti non avevano mai avuto un insegnamento in scienze prima dell’inizio della nostra consulenza”.

Altro punto di forza del progetto era il considerare gli insegnanti parte della comunità scientifica piuttosto che trattarli come degli estranei: “Questi sicuramente apprezzavano il fatto di essere trattati come colleghi, come parte fondamentale della comunità scientifica, con due ruoli specifici. Il primo, risvegliare l’interesse per le scienze in quegli studenti che ne hanno l’inclinazione e le capacità; il secondo, persino più importante, educare i cittadini del futuro alla scienza così da poter entrare nella società con una concezione di tutte queste cose, che sia buona o cattiva, basata sull’informazione e sui fatti. Questo permetterà loro di poter fare delle proprie considerazioni in merito. Ciò ha veramente rinvigorito l’interesse degli insegnanti nei confronti della scienza, perché si sono sentiti parte di una comunità più ampia, per poi riflettersi nelle modalità di insegnamento della scienza ai bambini.”

Fondamentale al successo del progetto è stata anche la cooperazione strategica attuata: “Per realizzare il progetto, avevamo bisogno di reperire molti fondi. Così abbiamo avviato delle collaborazioni con Boeing, Microsoft e tante altre aziende e le abbiamo usate come leva finanziaria per raccogliere risorse consistenti da destinare alle scuole. Questo è stato importante per creare un modello che avesse potere dimostrabile. Infine, l’ultimo obiettivo di tutti questi programmi è certamente il sostegno: vorremmo convincere i sistemi scolastici, una volta che ne avranno visto i risultati, ad elargire fondi a favore di questo approccio. Questo sta già accadendo in alcune scuole di Seattle”.

Hood e il suo team stanno ora estendendo il progetto a tutto lo Stato, attirando insegnanti eccellenti e funzionari scolastici nei workshop sul loro approccio. Solo così quegli insegnanti possono uscire ed apportare simili cambiamenti nelle loro comunità: “Abbiamo reclutato sei favolosi insegnanti di scienze che attualmente fanno questo a tempo pieno. Si tratta di persone che conoscono la scienza e sanno come insegnarla. Questo è importante, perché persone come conoscono alla perfezione la parte scientifica delle cose, ma non abbiamo mai dovuto confrontarci con la realtà di un principiante della prima classe o della scuola superiore.

“Ad esempio abbiamo costruito un paio di moduli per l’insegnamento della biologia dei sistemi in una scuola superiore. Nella biologia dei sistemi si tratta soprattutto di capire le reti: così, facciamo innanzitutto costruire agli insegnanti una rete in cui si rappresentano tutti i bambini della classe che hanno un cellulare, e una rete dei numeri che possono automaticamente digitare. Poi gli studenti si siedono e capiscono, “oh sono le connessioni” e capiscono cosa succederebbe se interrompessero le connessioni. È un modo molto semplice per capire che la biologia opera sull’informazione esattamente allo stesso modo, e loro lo afferrano immediatamente”.

Allora, cosa è esattamente la biologia dei sistemi?

“Per me, la biologia dei sistemi è il tentativo di guardare alla biologia da un punto di vista olistico piuttosto che atomistico. Per poter capire tutte le proprietà straordinarie del sistema che ne derivano è necessario definire tutte le sue componenti e le loro interazioni. Successivamente bisogna vedere come questi elementi si modificano in modo dinamico grazie agli stimoli che attivano l’intero sistema. Si crea un modello che potrebbe spiegare il sistema e poi si formulano delle ipotesi che vengono verificate tramite delle perturbazioni al sistema. Infine si vedrà se i dati generati combaciano con il tuo modello. Non succede mai nelle fasi iniziali. Perciò è necessario ripetere l’esperimento ciclicamente. Non si raggiunge mai una conoscenza definitiva, ma si ottengono i modelli più profetici in merito al comportamento del sistema”.

Immagine cortesemente messa a disposizione da enot-poloskun / iStockphoto

Inizialmente questo approccio non fu accolto con entusiasmo da molti settori.

“Anche quando abbiamo fondato l’Institute for Systems Biology (vedi riquadro) nel 2000, c’è stato tanto scetticismo. È successo come quando la biologia molecolare si “intromise” nella biochimica. Molte scuole decisero che la biologia molecolare era l’ultimo arrivato e quindi irrilevante. Così alcune scuole si concentrarono soltanto sulla biochimica, mentre altre si aprirono a questo nuovo settore. Quelli che hanno fatto il passaggio sono ora i leader della comunità biologica. Ma ciò non vuol dire che la vecchia scienza sia sbagliata. La biochimica è importante così come la biologia molecolare. Attualmente stiamo cercando di far convergere insieme i due ambiti. Bisogna aggiornarsi di questi tempi”.

Max Delbrück Immagine di dominio pubblico; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

Si potrebbe attribuire ad Hood la coniazione del termine “biologia dei sistemi”. Tuttavia sono state le riflessioni di un collega ad avvicinarlo a questo approccio. “Nei primi anni ’80 il mio laboratorio si trovava vicino a quello di Max Delbrück [Un biofisico tedesco-americano e premio nobel (1906-1981)w2]. Allora mi interessava molto l’immunologia molecolare. Max mi aveva detto molte volte: “Non capirai mai come l’immunologia lavora solo un gene e una proteina alla volta”. Non disse proprio così, ma quello era il senso. Ed io: “Guarda, stiamo svelando questi misteri sulla diversità degli anticorpi, e questo è meraviglioso e trasformazionale”. La sua risposta fu: “No, non proprio! I problemi maggiori nell’immunologia riguardano la risposta immunitaria, la tolleranza e l’auto-immunità. Noi non capiamo niente di tutto ciò”. Capii che aveva ragione e iniziai a ragionarci su. Fu allora che iniziai a riflettere sulla biologia dei sistemi.

“Ho iniziato ad usare il termine nei tardi anni Ottanta. Non ricordo se l’ho usato nel The Code of Codes nel 1990. Tuttavia in questo manuale ho dato una descrizione dettagliata di ciò che si intenderebbe oggi per biologia dei sistemi”.

Guardando al passato, i primi rapporti di Hood con la scienza sembrano avergli predestinato il suo interesse futuro nei confronti delle reti e dei sistemi complessi: “Mio padre era un ingegnere elettrotecnico e voleva che anche io lo diventassi. Ma non mi piaceva l’ingegneria. Teneva anche diversi corsi e voleva che io li frequentassi. Così finii per imparare molte cose sui circuiti e le reti.

Anche il mio professore di chimica del liceo è stato determinante. Durante il mio ultimo anno mi chiese di fargli da assistente nel corso di biologia per principianti. Gli dissi che avrei accettato se avessi potuto insegnare usando la rivista Scientific American, e lui accettò. Questo è successo nel 1956. E in quella rivista c’era un articolo interessante sulla struttura del DNA che mi fece pensare: “Wow! Questo è veramente figo! Questo è quello che mi piacerebbe fare”. Dall’altro lato, mio nonno tenne un campo estivo di geologia per studenti universitari sulle montagne di Beartooth, nel Montana. Io vi lavorai e seguii i corsi con loro. Per la prima volta venni a contatto con scienziati e ciò fu un’opportunità incredibilmente eccitante. In quell’occasione pensai di dedicarmi alla geologia, ma quell’articolo su Scientific American mi fece ritornare, infine, alla biologia. Importante per la mia trasformazione fu anche ciò che lo stesso professore di chimica disse: “Il posto in cui dovresti andare è Caltech”.

Beckman Institute, Caltech Immagine cortesemente messa a disposizione da Ross Berteig; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

Così Hood si trasferì al Caltech^w3 per fare pratica come scienziato. Qui poté imparare molte cose sull’insegnamento.

Richard Feynman Immagine di dominio pubblico; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

““Il Caltech è stato per me un’incredibile fonte di ispirazione. Docente del corso di fisica per principianti era Richard Feymann [un importante fisico americano e vincitore di premio Nobel che aveva aiutato nella costruzione della bomba atomica (1918-1988)w4] Vedendo insegnanti come lui, che insegnavano quasi interamente da un punto di vista concettuale, mi accorsi che questo dà agli studenti il background per assimilare quanti più dettagli vogliono, ma senza perdere di vista le questioni concettuali fondamentali. Così, quando al Caltech insegnavo agli universitari, inventavo dei giochi per gli studenti, perché potessero applicare i principi appresi in un contesto totalmente diverso. Per l’immunologia, inventai un gioco dove gli studenti dovevano analizzare un elefante marziano: gli diedi numerosi dati sul modo in cui gli elefanti marziani rispondevano agli agenti infettivi e così via. Dai principi basilari dovevano ricavare il meccanismo di base della diversità degli anticorpi marziani, che erano totalmente diversi da quelli terrestri.

“Gli studenti amano questo genere di cose. Alcuni mi hanno scritto venti o quarant’anni dopo dicendomi che non avevano mai dimenticato quei giochi. Allo stesso modo si possono usare i giochi per computer riempiendoli di informazioni sulla biologia in modi davvero interessanti”.

Che argomento sceglierebbe Hood se dovesse scrivere un libro sull’avvenimento più importante della sua carriera? Per chi ha speso la propria vita ideando e sostenendo approcci innovativi alla scienza, all’insegnamento e alla medicina, la risposta di Hood potrebbe non essere così sorprendente: scriverebbe su come fare affinché questo cambiamento abbia luogo.

“Conosco tanti modi sul come fare affinché questo cambiamento avvenga. Ho fatto molte esperienze diverse, e in tutti i casi le ho dovuto fare in modi molto diversi. Ad esempio tutti questi strumenti che abbiamo realizzato quando ero al Caltech e anche successivamente. Per realizzarli, ho dovuto fondare una società, l’Applied Biosystems che commercializzava questi strumenti. Poi, quando ho tentato di fondare un nuovo dipartimento interdisciplinare di biologia al Caltech, i biologi si rifiutarono. Così mi sono dovuto trasferire all’Università di Washington e fondare lì un nuovo dipartimento con l’aiuto di Bill Gate. Infine c’è stato l’Institute for Systems Biology^w5. Ho provato a fondarlo all’università, ma non ci sono riuscito. Così ho lasciato e l’ho fondato: questa è stata la miglior cosa che potessi fare perché si può immaginare qualcuno dell’università che faccia un accordo con il governo del Lussemburgo? Non potrebbe mai succedere! Penso che tutta questa serie di cose sia stata una delle mie esperienze più interessanti. Intendo dire che la scienza è stata grande e ancora amo la scienza, ma amo anche far in modo che la scienza si realizzi."

Infine, cosa muove quella persistenza, quella perseveranza che ti fa andare contro ogni canone? Secondo Hood, un misto di testardaggine provinciale e fiducia. “Penso che sia stato il crescere nel Montana. Era piccolo e rurale, e lì contava molto la grinta. “Puoi fare tutto ciò che ti pare”. E poi bisogna avere molta fiducia. Se pensi a qualcosa e veramente pensi di aver ragione, non preoccuparti degli scettici: va e fallo. La mia carriera è stata proprio questo processo evolutivo naturale. Non posso dire che nel 1980 avevo grandi piani a lungo termine, ma ad ogni fase sapevo sempre quale fosse la prossima, e quello mi portava sempre alla fase successiva. E certamente aiuta sempre aver successo. Quello non fa mai male”.

Beartooth Mountains, Montana Immagine cortesemente messa a disposizione da Jason Maehl / iStockphoto

Leroy Hood

“Institute for Systems Biology” visto dal Lake Union Immagine cortesemente messa a disposizione da Eben Calhoun; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

Il dott. Leroy Hood è uno scienziato Americano che si occupa di immunologia, biotecnologia e genomica. Tuttavia l’aspetto centrale della sua carriera è stata l’innovazione. La sua carriera è iniziata al Caltechw3, dove aveva sperimentato per primo strumenti come il sequenziatore del gene del DNA, che ha rivoluzionato la genomica, perché permetteva il sequenziamento rapido ed automatico del DNA, e che ha avuto un ruolo fondamentale nella mappatura del genoma umano. Successivamente ha fondato il Dipartimento interdisciplinare di Biotecnologia Molecolare presso l’Università di Washington, e da lì si è mosso, per fondare l’Institute for Systems Biologyw5 a Seattle, Washington, dove ha sperimentato per primo i nuovi approcci sistematici alla biologia e alla medicina. Attualmente Hood sta sperimentando la medicina dei sistemi e l’approccio sistematico alle malattie. Di recente ha iniziato una collaborazione con il governo del Lussemburgo, che, spera, potrà portare alla realizzazione di una dimostrazione clinica per un approccio innovativo alla medicina. Hood ha pubblicato più di 600 articoli, sottoposti a revisione paritaria, ha ricevuto 14 brevetti ed è stato co-autore di molti manuali sulla biochimica, l’immunologia, la biologia molecolare e la genetica. Attualmente sta portando a termine un manuale sulla biologia dei sistemi. In aggiunta, è stato co-autore di Dan Kleves nella stesura di un famosissimo libro sul genoma umano, The Code of Codes.

Riferimenti

Kevles DJ, Hood L (1990) The Code of Codes. Scientific and Social Issues in the Human Genome Project. Harvard, US: Harvard University Press

Riferimenti sul web

w1 – Per saperne di più sulle collaborazioni con il Center for Inquiry Science di Seattle ed il suo sviluppo, consultare la pagina: www.systemsbiology.org/Center_for_Inquiry_Science/History_and_Accomplishments

w2 – Per saperne di più sul premio Nobel Max Delbrück, visita la pagina web: http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1969/delbruck-bio.html

w3 – Homepage del Caltech, California Institute of Technology (Istituto di Tecnologia della California): www.caltech.edu

w4 –Per saperne di più sul premio Nobel, Richard Feynman, visitate le pagine web:

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/feynman-bio.html
e
www.feynmanonline.com

w5 – Sito internet dell’ Institute for Systems Biology (Istituto per la biologia dei sistemi): www.systemsbiology.org

Risorse

Per una breve introduzione sulla biologia dei sistemi e un suo possibile inserimento nel curriculum didattico, si vedano:
Grivell L (2009) Systems biology in the classroom? Science in School 11: 64-69. www.scienceinschool.org/2009/issue11/systemsbiology