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Come creare una cellula artificiale
Il mese scorso, i ricercatori del J. Craig Venter Institute hanno annunciato di aver creato la prima cellula sintetica mettendo insieme un genoma composto da sostanze chimiche in bottiglia e trapiantandolo in una cellula ricevente. Il traguardo storico rappresenta un nuovo livello di controllo sulla sostanza della vita a livello molecolare e potrebbe portare a modi per produrre cellule che producono vaccini in grandi quantità e combustibili più puliti.
Cellule sintetiche: Le colonie batteriche che crescono su queste piastre di Petri contengono un genoma modificato al computer e poi messo insieme in laboratorio.
Sebbene i ricercatori sottolineino che ci vorranno anni prima che gli scienziati possano dimostrare il vero potenziale di queste tecniche per ingegnerizzare la vita, ora stanno usando gli esperimenti per aumentare la comprensione fondamentale della biologia cellulare.
Durante un tour la scorsa settimana delle strutture dell'istituto di Rockville, MD, dove si stanno svolgendo gli esperimenti, gli scienziati hanno spiegato che la cellula sintetica è stata creata come risultato di un progetto per imparare come creare una cellula con il numero minimo di geni possibile per abitare. La speranza è che comprendendo i principi di base della vita cellulare, saremo in grado di fare in modo che le cellule producano più cose, afferma John Glass , professore all'istituto. Le cellule progettate per produrre una particolare sostanza chimica la renderanno più efficiente se i ricercatori riusciranno ad eliminare ogni altro processo metabolico non essenziale. Ho sempre voluto sapere come funzionano le cellule, e ora abbiamo gli strumenti, dice.
Un modo per capire qual è il genoma minimo sarebbe iniziare con un microbo con cui è facile lavorare in laboratorio, come lievito o E. coli , ed elimina ogni gene uno alla volta. Ma questo processo richiede molto tempo. Invece, gli scienziati di Venter iniziano con una sequenza del genoma di un batterio che ha già un genoma molto piccolo, lo alterano al computer per aggiungere o eliminare geni, quindi lo sintetizzano da sostanze chimiche, lo trapiantano in una cellula e vedono come i cambiamenti influenzare la funzione della cellula. Costruire un genoma in questo modo accelera la ricerca dell'istituto sui genomi minimi, afferma Daniel Gibson , professore associato presso l'Istituto Venter.
Il primo passo per creare una cellula sintetica è progettare il genoma. Questo processo avviene al computer, con la sequenza di 1.077.947 lettere che compongono il genoma del batterio Mycoplasma mycoides . Nei loro esperimenti di dimostrazione iniziale, i ricercatori hanno cancellato 15 geni. E per creare una filigrana che distinguesse il genoma sintetico da quello naturale, hanno anche fatto delle aggiunte. I ricercatori hanno codificato i loro nomi, un URL, alcune citazioni e un indirizzo e-mail nell'alfabeto di quattro lettere del DNA e l'hanno aggiunto al genoma.
Oggi è costoso e richiede tempo sintetizzare lunghi pezzi di DNA in laboratorio. Quindi i ricercatori hanno usato un programma per computer per tagliare il genoma in 1.100 pezzi, ciascuno lungo circa 1.080 paia di basi, o lettere. Il programma per computer ha aggiunto sequenze adesive alle due estremità di ogni fetta che avrebbero permesso di rimettere insieme i pezzi. I ricercatori hanno quindi inviato questi 1.100 progetti a una società di sintesi del DNA.
I ricercatori dell'Istituto arruolano quindi cellule di lievito per cucire i 1.100 frammenti in un unico pezzo circolare di DNA che costituisce il genoma sintetico completato. Prima che il lievito possa svolgere il proprio lavoro, il gruppo di Gibson deve rendere i frammenti di DNA compatibili con il lievito. Il gruppo di Gibson prima aggiunge a ogni serie di frammenti di DNA una breve sequenza di DNA che tira i frammenti in un anello e rende i frammenti amici delle cellule di lievito che sono state trattate per renderle suscettibili di divorare il DNA.
Gibson combina le cellule di lievito in soluzione con dieci tipi di frammenti di DNA, ciascuno dei quali costituisce una sequenza consecutiva di micoplasma genoma. Le cellule di lievito fanno il lavoro di rimettere insieme i frammenti. Questo processo viene ripetuto finché il lievito non mette insieme pezzi sempre più grandi del genoma. Alla fine, alcune delle cellule di lievito avranno messo insieme un genoma sintetico completo. Dopo aver testato per verificare che una colonia abbia l'intero genoma batterico, i ricercatori coltivano il lievito in una boccetta per consentire loro di moltiplicarsi e produrre il genoma in grandi quantità.
Il passo successivo è estrarre il genoma batterico sintetico completo dal lievito e trapiantarlo nelle cellule batteriche. Estrarre il genoma dal lievito e trasportarlo è la parte più difficile del processo. Il genoma del micoplasma è relativamente piccolo, ma è una molecola enorme. La forza di taglio dell'acqua che si muove attorno alle molecole di DNA nude può separarlo. Quindi i ricercatori immobilizzano il DNA in un pellet di gel e lo portano in un altro laboratorio, dove sono state preparate le cellule riceventi il trapianto. Le cellule riceventi, della specie Mycoplasma capricolum , sono un parente stretto delle cellule il cui genoma è la base del genoma sintetico. Attraverso tentativi ed errori, i ricercatori hanno scoperto che esiste una parte particolare del ciclo di crescita e divisione delle cellule in cui è più probabile che assorbano il DNA estraneo.
Far sì che le cellule riceventi assumano il genoma sintetico è in parte una questione di fortuna. Un ricercatore mescola le cellule riceventi con una soluzione chimica per rendere le loro superfici fluide e appiccicose, quindi aggiunge le cellule alla soluzione di DNA. Una volta mescolate, le cellule appiccicose iniziano a fondersi l'una con l'altra. Al fine di mantenere una forma sferica all'aumentare della loro superficie, le cellule assumono volume dalla soluzione che le circonda. Per caso, mentre si fondono, alcune di queste megacelle accolgono copie del M. mycoides genoma.
Lasciato per circa tre ore, le cellule con più di un genoma si divideranno, creando una miscela di tipi cellulari. Circa una cellula su 100.000 ha il genoma trapiantato, che contiene un gene di resistenza agli antibiotici. Quando la soluzione cellulare viene strisciata su piastre contenenti l'antibiotico tetraciclina, sopravvivono solo quelli con il genoma trapiantato. Sebbene inizialmente fossero di una specie diversa, i M. mycoides il genoma prende il sopravvento per creare ciò che i ricercatori chiamano una cellula sintetica.
I ricercatori useranno ora queste tecniche per ridurre gradualmente il genoma. Attualmente stanno usando un software per progettare nuovi genomi con vari geni rimossi, quindi usando la loro tecnica per sintetizzarli e trapiantarli. Possiamo testare una quantità impressionante di possibilità in un esperimento, dice Glass. Ciò consente loro di determinare nel giro di settimane anziché anni cosa succede quando, ad esempio, 10 geni in un particolare percorso vengono espressi a livelli variabili o eliminati.
Lo sviluppo di queste tecniche ha richiesto circa $ 30 a $ 40 milioni di finanziamenti, principalmente dalla società Synthetic Genomics. Il costo principale di questi esperimenti deriva dal prezzo della sintesi del DNA, che potrebbe diminuire man mano che più ricercatori vedono la promessa di questo tipo di esperimenti. Altri gruppi non lo fanno a causa del costo e perché i metodi sono stati difficili, ma mi piacerebbe pensare che stiamo rendendo i metodi semplici, dice Gibson. Professore dell'Università di Boston James Collins è d'accordo. Man mano che i costi diminuiscono, vedrai un certo numero di laboratori iniziare a sintetizzare su questa scala. Se questa tecnica è considerata utile, ci arriveremo sui costi.