Un’era il cui unico limite è la nostra immaginazione – Biologia sintetica.

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di Michele Stella

Immaginate di essere nel 2010 e di pubblicare su una delle più importanti riviste scientifiche (Science, ndr) un articolo che annuncia che avete costruito in laboratorio la prima cellula artificiale, controllata da un DNA sintetico e in grado di dividersi e moltiplicarsi proprio come qualsiasi altra cellula vivente, avete

“creato la vita sintetica in laboratorio”!

BOOOM! Una prospettiva sensazionale che potrebbe sembrare addirittura futuristica.

Beh, J. Craig Venter l’ha fatto davvero. Un biologo statunitense che si è reso protagonista di imprese straordinarie.

Dopo aver sequenziato interamente il genoma del batterio Haemophilus influenzae nel 1992, ha avviato un lavoro di sequenziamento del genoma di Homo sapiens (nel 1998, ndr) che gli permise di annunciare il completamento del lavoro nel 2000, battendo sul tempo il similare annuncio di Collins, che stava sostenendo simili studi in parallelo nello Human Genome Project

Infine, è riuscito nell’impresa di realizzare la prima cellula artificiale controllata da un genoma sintetico. 

Il primo batterio vitale contenente un genoma sintetico è stato ottenuto nel 2010 e chiamato JCVI-syn1.0, per gli amici Synthia. Allora, con la loro Syn 1.0, i ricercatori avevano sintetizzato in laboratorio il genoma del Mycoplasma mycoides e lo avevano quindi introdotto all’interno del micoplasma Mycoplasma capricolum, privato del proprio materiale genetico. L’organismo sintetico risultante, in grado di replicarsi, fornì la prova che i genomi potessero essere disegnati al computer, assemblati in laboratorio e poi trapiantati in una cellula ricevente per produrre qualcosa di completamente nuovo, guidato dal genoma sintetico. La cellula così ottenuta è stata la prima cellula sintetica nella storia in grado di autoreplicarsi.

Da allora, il team di Venter ha lavorato per capire come andare oltre, andando per certi versi indietro, ovvero gli scienziati volevano capire come riuscire a sintetizzare una cellula minima, contenente cioè solo i geni strettamente necessari alla vita. 

L’approccio

L’approccio è stato quello di togliere geni al genoma di JCVI-syn1.0 (901 geni totali, ndr). Il genoma iniziale è stato segmentato in diversi pezzi, ed è stata testata l’essenzialità di questi segmenti, cancellando un pezzo alla volta e verificando se il genoma risultante fosse ancora compatibile con la vita. Tale approccio ha permesso di identificare i gruppi geni fondamentali da utilizzare nel successivo step, in cui sono stati silenziati sistematicamente i singoli geni al fine di individuare, in maniera precisa e selettiva, quelli da conservare nella struttura finale del genoma e quali invece eliminare.

Ma come provare la vitalità di questo materiale genetico?

Inserendo i genomi corrispondenti nella struttura cellulare di Mycoplasma capricolum, per vedere se davano o meno origine a cellule vitali. 

Bene, ci sono riusciti, e sull’onda del precedente successo, nel 2016, il J. Craig Venter Institute ha sintetizzato un genoma ancora più piccolo, che è stato chiamato JCVI-syn3.0, costituito da 531.560 coppie di basi e 473 geni. Stiamo parlando di soli 473 geni che codificano per 438 proteine e 35 molecole di RNA (molecole che hanno un’importanza strutturale e di regolazione); per intenderci il genoma di Escherichia coli, un batterio molto comune e molto studiato presente nell’intestino umano, ma anche in quello di diversi altri animali a sangue caldo, possiede circa 4300 geni. 

Un confronto tra genomi i genomi di JCVI-syn1.0 e JCVI-syn3.0 ha rivelato un insieme comune di 256 geni che il team ritiene possa rappresentare un insieme minimo di geni necessari per la vitalità, mentre ben 65, su 473, sono i geni classificati come “sconosciuti” e molti di questi probabilmente codificano proteine universali necessarie in tutte o quasi le forme di vita, la cui funzione deve però ancora essere caratterizzata. Nonostante JCVI-syn3.0 contenga soltanto 600.000 paia di basi in meno rispetto al genoma naturale di Mycoplasma mycoides, il tempo di replicazione cellulare è significativamente più veloce (3 ore contro settimane), rendendolo molto più funzionale come organismo sperimentale

(A)Il ciclo per la progettazione del genoma. (B) Confronto di JCVI-syn1.0 (cerchio blu esterno) con JCVI-syn3.0 (cerchio rosso interno), mostrando la divisione di ciascuno in otto segmenti. Le barre rosse all’interno del cerchio esterno indicano le regioni mantenute in JCVI-syn3.0. (C) Un gruppo di cellule JCVI-syn3.0, che mostrano strutture sferiche di varie dimensioni (barra della scala, 200 nm). [2]

I traguardi raggiunti da Craig sono stati fondamentali e pionieristici nel campo della biologia sintetica e sono stati effettuati su un modello “semplice”: una cellula procariotica, ovvero un batterio. L’ultima conquista in ordine temporale, è quella presentata sulle pagine di Science nel 2017, con l’annuncio della creazione di cinque nuovi cromosomi sintetici di lievito. Cinque che si aggiungono al primo cromosoma di lievito sintetico synIII, creato nel 2014 dal team di Jef Boeke. 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 synII, synV, synVI, synX, e synXII, in grado di integrarsi nel lievito, ovvero di guidare i processi biologici al pari delle loro controparti naturali. In totale, calcolando che il lievito di ha 16 cromosomi, i ricercatori finora sono stati in grado di riprodurne in laboratorio circa un terzo. Il prossimo passo del progetto Sc2.0 sarà quello di completare la costruzione dei 16 cromosomi del lievito e l’integrazione completa in una cellula. 

Prospettive future

Quello da tenere presente però, è che al momento la biologia sintetica funziona in laboratorio, cosa accadrà in futuro e al di fuori dei laboratori non è chiaro: non sappiamo quanto i cromosomi sintetici siano stabili, né conosciamo come si evolveranno. Gli organismi che ci circondano sono il prodotto di milioni di anni di evoluzione, sono arrivati fin qui preparati, adattati, quelli creati ex novo no. Lo scopo ultimo è quello di assemblare in laboratorio un genoma complesso, quale quello di un eucariote come dimostrano gli studi sul lievito (per intenderci, oltre al lievito, anche le cellule dell’essere umano, così come quelle di tutti gli animali sono eucariotiche). 

“Stiamo entrando in un’era il cui unico limite è la nostra immaginazione”

Questa è la frase pronunciata da Craig Venter nella conferenza stampa per la presentazione di Synthia, e il concetto, sebbene scelto per il suo effetto mediatico, è sicuramente valido. Gli studi genetici si stanno infatti muovendo da una fase descrittiva, verso una fase sintetica, ostruttiva, in cui interi genomi possono essere assemblati grazie alla sintesi chimica. L’obiettivo della ricerca di Venter era l’individuazione e la costruzione del genoma minimo, ma le implicazioni di questo approccio sono molto più ampie perché può essere utilizzato per la costruzione di una cellula che esprima determinate funzioni. Basta scegliere il corredo genetico più adeguato. Si potrebbe ad esempio utilizzare per la produzione di farmaci, disegnando ex-novo batteri perfetti per quella specifica funzione, la qualità e la quantità della loro produzione potrebbe aumentare in modo significativo, abbattendo anche i costi di produzione. Allo stesso modo si potrebbero produrre cellule in possesso di determinate vie metaboliche, come quelle per la degradazione di sostanze inquinanti complesse come gli idrocarburi aromatici in grado di bonificare ampie aree in breve tempo o ancora batteri utilizzati per la produzione di plastiche biodegradabili o biocarburanti. Intendiamoci, stiamo ancora parlando di possibilità future non ancora completamente esplorabili, ma la strada è segnata ed è possibile percorrerla.  Inevitabile, sarà pensare ad approcci genetici simili per la costruzione di genomi di organismi superiori e complessi, magari per cellule umane. Si potrebbero aprire possibilità importanti in campo sanitario con terapie geniche più efficienti e con possibilità infinitamente più ampie di quelle attuali.

REFERENZE

  1. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 2010;329(5987):52-56. doi:10.1126/science.1190719
  2. Clyde A. Hutchison Iii, Ray-Yuan Chuang, et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science. 2016; 351(6280):aad6253. doi:10.1126/science.aad6253 
  3. Pennisi E. Genomics. Synthetic genome brings new life to bacterium. Science (New York, N.Y.). 2010 May;328(5981):958-959. DOI: 10.1126/science.328.5981.958.
  4. Richardson SM, Mitchell LA, Stracquadanio G, et al. Design of a synthetic yeast genome. Science. 2017;355(6329):1040-1044. doi:10.1126/science.aaf4557
  5. J.Craig Venter Institute https://www.jcvi.org/research/synthetic-biology 
  6. J. Craig Venter Institute https://www.jcvi.org/research/first-minimal-synthetic-bacterial-cell 
  7. Synthetic Yeast 2.0 http://syntheticyeast.org/ 
  8. https://www.wired.it/ 
  9. http://www.biochronicles.net/
  10. https://www.microbiologiaitalia.it/
  11. https://www.wikipedia.org/

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