Cellula di riavvio del genoma sintetico

Al culmine di un progetto durato 15 anni, gli scienziati del Istituto J. Craig Venter hanno ingegnerizzato la prima cellula controllata da un genoma sintetico.

Iniziando da zero: Gli scienziati hanno riavviato le cellule batteriche trapiantando una versione sintetica del genoma di Mycoplasma mycoides prodotta in laboratorio. Il genoma sintetico include un gene marcatore che produce un composto blu, quindi le cellule sintetiche formano colonie blu (in alto). Il genoma naturale di M. mycoides manca di quel gene, quindi le cellule di tipo selvatico formano colonie bianche (in basso).

Questa è la prima volta che le informazioni di una sequenza genomica vengono riportate in vita, afferma Chris Voigt , un biologo sintetico dell'Università della California, San Francisco, che non era coinvolto nel progetto. È davvero notevole.

Utilizzando un metodo sviluppato nel 2008, i ricercatori, guidati dal pioniere della genomica Craig Venter, hanno sintetizzato il genoma di un minuscolo batterio chiamato Mycoplasma mycoides , contenente poco più di un milione di coppie di basi del DNA. Successivamente hanno trapiantato il genoma sintetico in un batterio correlato, Mycoplasma capricolum , in un processo che avevano precedentemente perfezionato utilizzando cromosomi non sintetici.

Una volta che le cellule riceventi hanno incorporato il genoma sintetico, hanno immediatamente iniziato a eseguire le istruzioni codificate all'interno del genoma. Le celle prodotte solo M. mycoides proteine, e in pochi cicli di auto-replicazione, tutte le tracce della specie ricevente erano scomparse. I risultati sono stati pubblicato Giovedì nell'edizione online della rivista Scienza .

Per distinguere il loro genoma sintetico dalla versione naturale, i ricercatori hanno codificato una serie di filigrane nella sequenza. Hanno iniziato sviluppando un codice per scrivere l'alfabeto inglese, oltre alla punteggiatura e ai numeri, nella lingua del DNA: una chiave di decodifica è inclusa nella sequenza stessa. Poi hanno scritto nei loro nomi, alcune citazioni e l'indirizzo di un sito web che le persone possono visitare se riescono a decifrare il codice.

In termini di creazione di vita sintetica, questo progetto è una prova di principio: a parte le filigrane e una manciata di delezioni genetiche per ridurre la capacità della specie di causare malattie, il genoma sintetico ne ricrea essenzialmente uno naturale. Venter spera che in futuro la tecnologia genomica sintetica possa essere utilizzata per progettare e sviluppare organismi completamente nuovi, con applicazioni pratiche ad ampio raggio.

Venter e i suoi colleghi stanno lavorando con Novartis e il National Institutes of Health per sintetizzare cassette - gruppi di geni che potrebbero essere inseriti in un genoma sintetico - per ogni virus influenzale conosciuto nel tentativo di semplificare il processo di produzione del vaccino. Immaginano un sistema in cui, se emergesse un nuovo ceppo come l'H1N1, lo sviluppo di un vaccino sarebbe semplice come mescolare i geni che codificano i frammenti virali rilevanti in un genoma sintetico. Questo potrebbe quindi produrre una cella che potrebbe essere utilizzata per fabbricare rapidamente il prodotto.

I ricercatori stanno anche collaborando con ExxonMobil per trasformare le celle algali in fabbriche di combustibili viventi che convertirebbero in modo efficiente l'anidride carbonica in idrocarburi che potrebbero essere lavorati nelle raffinerie. Non ci sono cellule esistenti che siamo stati in grado di trovare che facciano quel processo in modo abbastanza efficiente da renderlo economicamente fattibile, dice Venter.

Altre potenziali applicazioni includono la progettazione di microbi sintetici che potrebbero purificare l'acqua o produrre sostanze chimiche o ingredienti alimentari. Prevedo che entro un decennio qualsiasi cella utilizzata nei processi industriali sarà prodotta sinteticamente, afferma Venter.

A tal fine, i ricercatori hanno in programma di sviluppare alla fine una sorta di cellula ricevente universale che potrebbe avviare qualsiasi genoma di un donatore. Il processo di trapianto ha dimostrato di essere l'aspetto tecnicamente più impegnativo della costruzione di una cellula sintetica, afferma Venter, e sarebbe l'ideale evitare un nuovo ciclo di risoluzione dei problemi per ogni nuovo sistema sviluppato.

Per ora, dice Voigt, il più grande ostacolo nella realizzazione del potenziale della genomica sintetica è il divario tra la nostra capacità di sintetizzare il DNA e la nostra capacità di progettarlo. Questa sarà la prossima generazione di ricerca, dice. La tecnologia attorno alla costruzione del DNA è matura ora e sarà la cassetta degli attrezzi per progettarlo che verrà dopo.

Oltre alle applicazioni pratiche, Venter spera anche che le cellule sintetiche aiutino a chiarire i meccanismi di base della vita, forse consentendo ai ricercatori di decifrare esattamente cosa fa ogni componente di una cellula batterica. Sebbene i genomi di innumerevoli organismi siano stati ora sequenziati, afferma Venter, non comprendiamo ancora appieno come funzionino anche le forme di vita più semplici. Vogliamo provare a rendere una di queste cellule il sistema cellulare meglio compreso in biologia, dice.

Venter indica anche ciò che le cellule, alimentate da genomi prodotti in laboratorio da quattro flaconi di sostanze chimiche, sulla base di istruzioni memorizzate su un computer, rivelano cosa sia la vita. Questo è tanto un progresso filosofico quanto tecnologico, dice. L'idea che ciò sia possibile significa che le cellule batteriche sono macchine biologiche guidate da software. Se cambi il software, costruisci una nuova macchina. Ne sono ancora stupito.

Lo sviluppo evidenzia il fatto che stiamo uscendo dall'era in cui le cellule e il DNA devono essere trasferiti fisicamente da un luogo all'altro, afferma Voigt, a un'era in cui la biologia è una scienza dell'informazione. Ora sarebbe possibile sequenziare il genoma di un organismo a San Francisco, inviare la sequenza per e-mail in tutto il paese e portare quell'organismo in essere in un laboratorio nel Maryland. Solo l'informazione è in grado di ricostruire quell'organismo e riconvertirlo in vita, dice Voigt.

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