Syn 3.0, il primo batterio sintetico porta la biologia verso il design intelligente

Descritto sulla rivista Science, segna un passo decisivo verso la realizzazione della vita artificiale, dopo oltre 20 anni di esperimenti. Il batterio sintetico è stato chiamato Syn 3.0 è stato ottenuto negli Stati Uniti dal gruppo di Craig Venter. È un risultato molto prezioso e permetterà di studiare le funzioni della vita con un dettaglio mai raggiunto finora. Non solo.
Thomas Vaccari, 31 Marzo 2016
Micron
Micron

Università degli Studi di Milano Statale

 

Come facciamo a capire come funziona una cellula? Facile, direbbero i miei figli: la rompiamo, la smontiamo e la rimontiamo un pezzo alla volta. Chi si ricorda di aver fatto ciò con macchinine o bambolotti ricorderà che smontare è facile, rimontare lo è meno. Ma alla fine si capisce molto e talvolta si scopre che qualche pezzo non è proprio necessario o può essere sostituito con altri, rendendo l’oggetto più utile e interessante. Questa procedura, che nel mondo degli adulti è chiamata “reverse engineering” o ingegneria inversa, è alla base della scoperta di un gruppo di ricercatori californiani diretti da Craig Venter, l’uomo che ha dato vita alla rivoluzione genomica ‘leggendo’ per primo (in gergo, sequenziando) il DNA di un organismo una ventina di anni fa.
Come racconta la rivista Science, gli scienziati in questione sono riusciti per la prima volta a sintetizzare un genoma che permette a un batterio di vivere con meno geni di quelli del più semplice batterio esistente in natura, per un totale di circa mezzo milione di basi. Hanno cioè disegnato e prodotto in laboratorio un filamento di DNA sintetico contenente poco meno di 500 geni, solo quelli assolutamente necessari per la vita. Qualche anno fa gli stessi ricercatori in una serie di studi sempre su Science, avevano descritto la creazione del batterio con un DNA interamente sintetico. Ciò che desta meraviglia è che i geni sono stati scritti e ordinati nel modo giusto per consentire al batterio di nutrirsi, crescere, dividersi per riprodurre e perpetuare il proprio patrimonio genetico, in sostanza di vivere come un batterio naturale.
Volendo continuare con paragoni letterari, Venter e soci sono passati dal saper leggere, al saper scrivere in maniera sintetica e senza errori, in modo da letteralmente dar vita al testo. Tale atto di creazione ex novo, riproducendo in laboratorio il risultato di qualche miliardo di anni di evoluzione della vita sulla Terra, definisce sperimentalmente il set minimo di geni necessari per una cellula. Lo studio costituisce quindi un nuovo, significativo avanzamento nel campo della biologia sintetica, della quale avevo già scritto qualche tempo fa su Scienzainrete.

COSÌ TI CREO UN BATTERIO IN PROVETTA
Per capire come si è arrivati a tale traguardo occorre tornare al reverse engineering. I ricercatori hanno smontato il genoma di un batterio come fosse l’interno di una macchina e, rimontandolo pezzo per pezzo ne hanno ricostruito uno più compatto. Il batterio che hanno scelto è un Mycoplasma, tra i batteri è quello con il genoma più semplice, una condizione ideale per ulteriori modifiche. La ragione di ciò è che i micoplasmi sono parassiti delle cellule umane e il loro genoma ha perso durante l’evoluzione i geni che regolano le funzioni fornite dall’ospite, cioè noi. Gli scienziati sono partiti dal mycoplasma con DNA sintetico che avevano prodotto qualche anno fa. Questo conteneva circa un migliaio di geni, e non era chiaro se fossero tutti necessari. Per capire quali scartare, i ricercatori hanno utilizzato dei trasposoni, elementi genetici mobili simili a retrovirus, che possono inserirsi nel DNA, interrompendo geni a caso. Grazie a questo elegante stratagemma, che alla base di molta della “forward genetics” – o genetica diretta – moderna, hanno capito quali geni del micoplasma potessero essere rotti senza pregiudicare la crescita e la riproduzione del batterio. Dopodiché, suddividendo il DNA in 8 grandi tratti, li hanno per così dire “alleggeriti” uno per volta del superfluo. Per capire se le parti modificate funzionassero, le hanno sostituite a quelle del micoplasma sintetico di partenza.
Il team statunitense ha scelto di generare tutte queste modifiche in vitro, ovvero in provetta, utilizzando su scala incredibile il meglio di 50 anni di tecnologia di ingegneria del DNA. Basti pensare che ognuno degli 8 settori da più di 100 mila basi da alleggerire e saggiate è stato realizzato unendo nell’ordine giusto decine di migliaia di pezzettini da poche decine di basi realizzati per sintesi chimica. Dato che questa è limitata a corte sequenze di una trentina di basi, le ripetizioni di A, T, G, C con cui è scritto il DNA, hanno dovuto allinearle e ricopiarle per PCR, una tecnica usata da anni per ricopiare in vitro DNA ad libitum, per generare frammenti da poco più di un migliaio di basi. A loro volta, questi sono stati assemblati per generare porzioni di decine di migliaia di basi, che sono state ricontrollate e mantenute in vettori batterici. Gruppi di una dozzina di queste di queste nell’ordine giusto sono state montate e mantenute come cromosomi di lievito per ultimare ciascuno degli 8 settori. Per tornare alla similitudini testuali, è stato come scrivere un romanzo facendo un collage di sillabe e parole da ordinare nella sequenza giusta, con solo una vaga idea di quale dovesse essere il prodotto finale.
Alla fine di tale gigantesco tour-de-force sono riusciti a cestinare addirittura la metà dei geni di partenza, molti con funzioni note che si ritenevano indispensabili, come la maggior parte dei geni che codificano per proteine del citoscheletro. Un risultato molto sorprendente, un po’ come realizzare che in realtà la nostra macchinina re-ingegnerizzata in fondo può fare a meno del telaio. Ciò è in parte dovuto al fatto che il batteri cresciuti in laboratorio sono protetti e ben nutriti e per ciò non hanno bisogno di una serie di geni altrimenti indispensabili per adattarsi all’ambiente. Il dato forse più significativo però è emerso analizzando il set di geni necessari per la vita. Incredibilmente, di un terzo di questi non se ne sa la funzione, anche se molti sono addirittura presenti anche in cellule eucariotiche, come le nostre! Inoltre, non sembra che l’ordine in con il quale i geni sono organizzati nel genoma conti per la vita, quindi si può pensare a nuovi design razionali con il raggruppamento di funzioni essenziali e specializzate in moduli facilmente sostituibili. Infine, gli studiosi hanno dimostrato che alcuni geni necessari alla vita si possono sostituire con altrettanti, provenienti da batteri anche molto diversi. Per continuare con la metafora, la cellula-macchinina funziona con metà dei pezzi, che funzionano anche se messi in ordine sparso, non se ne capisce del tutto il perché, e sembra che tolleri bene pezzi del bambolotto, per la gioia dei miei due scienziati in erba.

UN FUTURO NON TROPPO LONTANO
Tutto quello che ho descritto può essere applicato anche a cellule animali, anche se il loro genoma è incomparabilmente più complesso. Perciò implicazioni future saranno molte, non necessariamente limitate ai batteri, e non tutte immediatamente prevedibili, come spesso per gli studi di ricerca di base. Però possiamo già dire che per studiare l’evoluzione e la funzione dei geni, ora si potrà disegnarne e introdurne interi gruppi in libertà direttamente nel genoma sintetico minimo di una cellula per poi sperimentarne le proprietà. Finora si è potuto confrontare gli effetti della selezione naturale su organismi diversi, con possibilità molto più limitate di intervento sperimentale. Così se si vorrà creare, per esempio, un batterio che digerisca un novo composto, piuttosto che una cellula che si difenda da un nuovo patogeno, si potrà aggiungere o sostituire moduli di geni preorganizzati.
È facile prevedere che questo accelererà drammaticamente non solo la nostra comprensione dell’origine vita sulla terra, studiata anche in Italia da Sheref Mansy al CBIO di Trento, ma anche il progresso della medicina e delle biotecnologie. Molta della accelerazione promessa da questi approcci di biologia sintetica dipenderà però dall’incremento di efficienza della tecnologia di sintesi del DNA. Questa non si è ancora evoluta al pari della nostra capacità leggere o modificare il genoma, rivoluzionate dalle tecnologiche di “deep sequencing” e “gene editing” . In un certo senso, l’approccio di Venter potrebbe rappresentare un passaggio chiave che per portarci dall’evoluzione per selezione naturale di tipo Darwiniano, ad un ben più Lamarckiano design intelligente della vita, ma fortunatamente non nel senso che intendono i fondamentalisti religiosi di oltreoceano.
Per finire, limitandoci all’ambito dei batteri, è utile ricordare che moltissime delle nostre produzioni alimentari, delle tecnologie applicate in campo ambientale, nonché la generazione di nuovi antibiotici, o lo sfruttamento del microbioma umano per scopi medici, e per finire la biosicurezza cruciale per prevenire lo sviluppo e l’uso di armi batteriologiche, dipendono tutte dalle nostra capacità futura di manipolare batteri, che sono parte indispensabile dell’ecosistema da molto prima di noi. Inventarne di nuovi che garantiscano e non pregiudichino la nostra sopravvivenza futura è necessario e non sarà un gioco da ragazzi.

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