Come rifare la vita

Con un movimento preciso, Li Ma, un tecnico del J. Craig Venter Institute di Rockville, MD, pipetta una soluzione rosso ciliegia di cellule batteriche in una fiala che contiene una soluzione chiara di fragili anse di DNA. Questi anelli, i più grandi pezzi di DNA mai assemblati in laboratorio, sono ciascuno in grado di controllare tutte le normali funzioni di una cellula. Ma il DNA non ha avuto origine in nessun batterio: invece, gli scienziati lo hanno messo insieme da sostanze chimiche in bottiglia. Il processo che hanno recentemente sviluppato per farlo è il primo a produrre cellule sintetiche in grado di sopravvivere. Alcune delle cellule batteriche con cui Ma sta lavorando si fonderanno nella soluzione, inglobando il genoma sintetico e poi replicandosi e vivendo sotto il suo controllo.

Una soluzione di cellule, alcune delle quali contengono il nuovo genoma, viene miscelata con un terreno di coltura a base di gel che contiene un antibiotico. Quindi viene versato in piastre di Petri e messo in un'incubatrice. Solo le cellule che contengono il genoma sintetico portano un gene che le protegge dall'antibiotico. Le macchie blu sono colonie di batteri ora controllate dal genoma sintetico trapiantato.

L'ingegneria genetica convenzionale è un lungo processo in cui i geni vengono alterati uno per uno, spesso nel corso di generazioni successive di organismi. Ciò rende il cambiamento radicale di un genoma una proposta scoraggiante. Ma le nuove tecniche sviluppate consentono ai ricercatori di modificare i genomi su un computer, sottraendo o aggiungendo geni letteralmente tagliandoli e incollandoli in un file. È più simile all'elaborazione di testi che al tradizionale lavoro di laboratorio coinvolto nella coltura e nello screening di generazioni di organismi. I ricercatori possono quindi eseguire l'equivalente genetico della stampa del file, a quel punto sono in grado di trapiantare il risultato, un nuovo genoma, nelle cellule esistenti. Questi passaggi accelerano notevolmente il processo di progettazione; potrebbero volerci solo settimane per completare esperimenti che in precedenza avrebbero richiesto mesi o anni.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2010

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In definitiva, i ricercatori vogliono utilizzare la biologia sintetica per progettare microbi che producono in modo molto efficiente vaccini, combustibili puliti e altri prodotti. Ma non possono progettare nuovi genomi da zero, perché non sanno ancora abbastanza su quali geni e reti di geni sono necessari per sostenere la vita e produrre un prodotto desiderato. Potresti rimuovere un gene e la cellula vive; togli un secondo e muore; poi rimuovi un terzo e rivive, dice Daniel Gibson, professore associato presso l'istituto. Pertanto, i ricercatori di Venter stanno sperimentando la sequenza di un genoma naturale. Sperano di saperne di più su come funzionano i genomi e le cellule eliminando e aggiungendo rapidamente geni in diverse combinazioni, incorporando i nuovi genomi nelle cellule e quindi osservando come questi genomi funzionano o non funzionano.

Revisione genetica

Il processo inizia sul computer, dove Gibson estrae il genoma del batterio Mycoplasma mycoides . È relativamente semplice, comprendendo solo 1.078.809 coppie di basi del DNA che compongono circa 900 geni. (In confronto, E. coli i batteri hanno circa 4.400 geni.) Gibson e i suoi colleghi hanno apportato alcune modifiche: hanno eliminato 14 geni dalla sequenza e ne hanno aggiunti altri. Per creare una filigrana che distinguesse la loro creazione, hanno sviluppato un codice che converte l'inglese nell'alfabeto di quattro lettere del DNA e lo hanno utilizzato per modificare il genoma, incorporando i loro nomi, un URL, alcune frasi e un indirizzo e-mail nel genoma.

Il gruppo di Gibson utilizza quindi un software per dividere il genoma modificato in 1.100 sezioni, ciascuna lunga circa 1.080 coppie di basi, una dimensione che può essere realizzata in modo economico con un sintetizzatore di DNA, una macchina che mette insieme tratti di DNA da singole coppie di basi fornite in soluzioni in bottiglia. Infine, i ricercatori arruolano cellule di lievito per cucire insieme queste lunghe sezioni, un lavoro che le macchine non possono fare.

Gibson si inginocchia davanti a un frigorifero in laboratorio ed estrae 12 scatole di plastica, ognuna delle quali contiene 96 pozzetti pieni di frammenti di DNA basati sui progetti modificati al computer. Li impila su una panchina e dice: Questo è l'intero genoma in 1.100 pezzi. Gibson usa una pipetta per raccogliere 10 frammenti in ordine e li aggiunge a un minuscolo tubo di plastica, insieme a un ulteriore frammento di DNA che aiuterà a riunire la sequenza in un anello. Successivamente aggiunge cellule di lievito che sono state trattate per consentire loro di assorbire i pezzi di DNA. Ogni cellula di lievito pensa che questi pezzi di DNA facciano parte del proprio cromosoma, ed è rotto, dice. Vuole rimetterli insieme. I ricercatori hanno progettato i frammenti di DNA in modo che quelli da collegare tra loro abbiano estremità con sequenze corrispondenti. Il lievito mette insieme i 10 frammenti abbinando queste sequenze per produrre anelli di DNA lunghi ciascuno 10.000 paia di basi. La ripetizione del processo collega le sequenze di 10.000 paia di basi per formare segmenti di 100.000 paia di basi del genoma. Dopo una terza fase di raggruppamento, il lievito ha ricucito l'intero genoma sintetico. Utilizzando metodi consolidati, i genomi sintetici vengono estratti dal lievito.

La manipolazione del DNA estratto richiede molta cura: anche un piccolo genoma è una molecola gigantesca e fragile. Si romperà in 100 pezzi se lo guardi male, dice Gibson. Se fosse sospeso in una soluzione liquida, il DNA potrebbe essere distrutto semplicemente dal movimento del liquido. Quindi Gibson immobilizza i genomi in agarosio, un gel derivato da alghe comunemente usato come mezzo per i microbi. Racchiusi in questo pellet protettivo, possono essere conservati in sicurezza fino a quando i ricercatori non saranno pronti a trapiantarli nelle cellule riceventi.

piccolo trapianto

In un laboratorio in fondo al corridoio, Ma ha preparato le cellule che riceveranno la nuova sequenza: una specie di batteri chiamata Mycoplasma capricolum che è strettamente correlato alla specie da cui deriva il genoma sintetico. Mentre un enzima che degrada l'agarosi liquefa i pellet contenenti DNA in una provetta, Ma prende un'altra provetta e mescola i batteri con cloruro di calcio e glicole polietilenico, un cocktail che i ricercatori ritengono renda le superfici delle cellule malleabili e appiccicose. Ora è una questione di fortuna e di mano ferma. Ma pipetta parte della miscela cellulare nella fiala contenente i loop genomici sintetici. Le cellule appiccicose iniziano a fondersi l'una con l'altra. Per mantenere la loro forma sferica dopo la fusione, devono prendere volume dalla soluzione che li circonda. Mentre ciò accade, alcune cellule, circa una su 100.000, assorbono anche il genoma sintetico. Il risultato è una sorta di supercella con tre genomi: il genoma sintetico e uno da ciascuna delle due cellule. La supercella si divide quindi in tre cellule più piccole, una delle quali contiene il genoma sintetico.

Ma spalma la soluzione cellulare su piastre di coltura contenenti un antibiotico a cui sono resistenti solo le cellule con il genoma sintetico (durante il processo di modifica del genoma, i ricercatori hanno aggiunto un gene che le rende impermeabili). Quelle cellule vivranno, crescendo e dividendosi sotto il controllo del nuovo genoma. Il resto muore, lasciando dietro di sé una colonia pura di cellule sintetiche.

Il prossimo passo per i ricercatori del Venter Institute è usare le loro tecniche di editing genomico, sintesi e trapianto per progettare e testare genomi con sempre meno geni. L'obiettivo è creare una cellula minima, con solo i geni di cui ha bisogno per sopravvivere. Una tale cellula potrebbe essere più facile da alterare di una naturale attraverso l'ingegneria genetica.

I metodi dei ricercatori sono attualmente molto costosi: costa $ 300.000 a $ 500.000 per creare e trapiantare un genoma sintetico se i ricercatori sintetizzano il DNA in casa, o circa tre volte tanto se lo acquistano da un fornitore esterno. Eppure il prezzo della sintesi del DNA sta diminuendo e potrebbe continuare a diminuire ulteriormente man mano che la domanda aumenta e la tecnologia migliora. Se ciò accadrà e le tecniche di costruzione del genoma si dimostreranno utili come sperano i ricercatori di Venter, più persone inizieranno ad adottare i loro metodi, afferma James Collins, professore di ingegneria biomedica alla Boston University.

Questo è un progresso significativo per la biologia sintetica, dice Collins. Ora dobbiamo vedere, quali sono i cambiamenti che possono essere introdotti nel genoma?

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