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Creazione di parti di celle da zero
I ricercatori dell'Università di Harvard hanno costruito da zero un ribosoma funzionale, la macchina per la produzione di proteine della cellula, molecola per molecola. La creazione rappresenta un passo significativo verso la creazione della vita artificiale e potrebbe infine colmare un'importante lacuna nella nostra comprensione delle origini della vita. Ma gli scienziati che hanno realizzato il ribosoma sono più interessati alle sue applicazioni industriali. Hanno in programma di armeggiare geneticamente con il macchinario molecolare in modo che possa produrre proteine in modo più efficiente, nonché proteine che sono l'immagine speculare di quelle che normalmente si trovano in natura. Entrambi i miglioramenti potrebbero essere un grande vantaggio nell'industria farmaceutica, tra gli altri.
Fabbrica di proteine: Qui è mostrata la struttura di un ribosoma, la struttura cellulare che produce le proteine. Gli scienziati hanno ora creato un ribosoma da zero.
Per fare i ribosomi, Chiesa di San Giorgio , un genetista di Harvard, e ricercatore post-dottorato Mike Jewett ha prima smontato i ribosomi da Escherichia coli , un comune batterio da laboratorio, nelle sue molecole componenti. Hanno quindi usato enzimi per rimettere insieme i vari componenti dell'RNA e delle proteine. Quando messi insieme in una provetta, questi componenti si sono formati spontaneamente in ribosomi funzionali. Mentre gli scienziati hanno precedentemente ricostituito i ribosomi, che sono costituiti da una configurazione complessa di RNA e proteine, già negli anni '60, queste versioni precedenti erano poveri produttori di proteine e sono state create in condizioni chimiche molto diverse da quelle di una cellula normale.
I ricercatori hanno utilizzato il ribosoma artificiale per produrre con successo l'enzima luciferasi, una proteina della lucciola che genera il bagliore dell'insetto. Alla fine, dice Church, vuole creare minuscole fabbriche di proteine con ribosomi su misura. Vogliamo produrre grandi quantità di proteine speciali che sono difficili da produrre in vivo e sono utili per la produzione di vaccini [e altri scopi].
Successivamente, i ricercatori vogliono creare un ribosoma in grado di ricrearsi. Hanno compilato un elenco di 151 geni che ritengono necessari per un ribosoma autoriproducente, inclusi geni per proteine ribosomiali, diversi tipi di RNA, enzimi che catalizzano diverse reazioni nella sintesi proteica e altri geni non direttamente correlati al ribosoma. Pensiamo che questo sia un numero sufficiente di geni per replicare il DNA, produrre RNA e ribosomi e avere una membrana primitiva, dice Church. Una volta che funziona, dovrebbe essere in grado di continuare se gli fornisci amminoacidi e nucleotidi [i mattoni di DNA e RNA].
Una volta installato e funzionante il sistema, i ricercatori sperano di ottimizzarlo geneticamente in una fabbrica di proteine efficiente. I prodotti proteici, come i farmaci biologici, sono ora per lo più realizzati in vasche di batteri. Quando produci proteine in batteri vivi, butti via il 90 percento della biomassa batterica solo per ottenere qualche grammo di proteine, dice David Deamer , un chimico dell'Università della California, Santa Cruz. Se potessi farlo senza organismi vivi, potrebbe essere molto più efficiente.
Ricostituzione dei ribosomi: Di seguito è mostrato un elenco di parti per la creazione di un ribosoma sintetico autoreplicante. Le proteine sono mostrate in viola, l'RNA in rosso e il DNA in blu. L'elenco comprende 54 proteine ribosomiali, enzimi a base di RNA coinvolti nella produzione di proteine e altre molecole che interagiscono con i ribosomi.
Church e il suo team vogliono anche usare il ribosoma per creare una nuova classe di proteine, quelle che sono l'immagine speculare delle proteine presenti in natura. Le proteine e molte altre molecole hanno una manualità, o chiralità, nella loro struttura. Gli amminoacidi prodotti in natura sono quasi esclusivamente mancini. E proprio come un guanto si adatta a una sola mano, gli enzimi per mancini possono catalizzare le reazioni dei substrati solo con la corretta manualità. Ciò significa che le molecole speculari sarebbero resistenti alla degradazione da parte di enzimi regolari, afferma Church. Ciò potrebbe avere importanti applicazioni industriali, generando enzimi di lunga durata per la biofermentazione, utilizzati per creare biocarburanti e altri prodotti.
L'industria farmaceutica potrebbe anche trarre vantaggio da un metodo per produrre molecole speculari. A differenza della sintesi biologica, la sintesi chimica produce una miscela di molecole levogire e destrorse. Ma con molti farmaci, l'esempio più noto è il talidomide, una forma è benefica e l'altra dannosa. È costoso separare le due versioni, quindi un'alternativa efficiente che realizzi la forma desiderata fin dall'inizio potrebbe essere un vantaggio per i produttori. Church e Jewett non hanno ancora creato una proteina speculare usando il loro ribosoma sintetico, ma dicono che può essere fatto semplicemente modificando alcune molecole nell'enzima che unisce gli amminoacidi alle proteine.
Il ribosoma artificiale ha anche applicazioni molto più ampie. È un passo importante verso la creazione della vita artificiale, una cellula che può autoassemblarsi e riprodursi. Gli scienziati vogliono creare un organismo da zero sia per comprendere meglio i meccanismi interni della biologia sia per creare nuove forme di vita altamente ingegnerizzabili che possono essere impiegate per produrre nuovi combustibili, eliminare le tossine o svolgere altre funzioni utili.
Inoltre, il ribosoma potrebbe risolvere le principali domande senza risposta sulle origini della vita. Come si sono evoluti i primi ribosomi o la struttura equivalente sulla via della vita come la conosciamo? Questa è davvero una grande lacuna nella nostra comprensione dell'origine della vita, dice Deamer. Se [la Chiesa] può manipolare le parti per creare una versione migliore o più semplice del ribosoma, ci insegnerà molto su come sono nati i ribosomi. E secondo, perché quasi tutta la vita ha una chiralità mancina? È un mistero, dice Fred Blattner, un genetista presso l'Università del Wisconsin-Madison. È andata così o c'è un motivo di cui non siamo a conoscenza? Con un ribosoma mancino, la risposta alla domanda potrebbe essere presto a portata di mano.