Dalla biologia sintetica le forme di vita del futuro

Erano i primi anni 2000 quando il John Craig Venter Institute (JCVI), allora chiamato The Institute for Genomic Research (TIGR), avviò il progetto di ricerca sulla creazione della prima cellula sintetica con DNA minimo in grado di sopravvivere ed auto-replicarsi.

Il JCVI è un istituto di ricerca genetica fondato nel 1992 da J. Craig Venter a Rockville (Maryland) negli Stati Uniti. I loro studi iniziali all’avanguardia portano al sequenziamento completo del genoma dei batteri Haemophilus influenzae, Mycoplasma genitalium, Deinococcus radiodurans e dell’Archaea Methanococcus jannaschii.

Una fotografia del biologo statunitense, J. Craig Venter

Tale risultato, vera pietra miliare nel campo della genetica, portò all’esplosione di progetti di sequenziamento, utilizzando la tecnica del sequenziamento dell’intero genoma già sperimentata ma mai utilizzata per un batterio prima del progetto del TIGR.

Ogni genoma contiene le istruzioni per le funzioni universali comuni a tutte le forme di vita e trovare questo “Sacro Graal della biologia” è stato il loro obiettivo. Lo hanno raggiunto nel 2010 quando, come parte del progetto Minimal Genome, hanno dapprima sintetizzato una versione semplificata del genoma del batterio Mycoplasma mycoides e successivamente l’hanno introdotta in una cellula di Mycoplasma capricolum priva di DNA. La cellula così ottenuta, definita JCVI-syn1.0, è stata la prima cellula sintetica nella storia in grado di auto-replicarsi.

Sull’onda di questo successo, nel 2016, il Venter Institute ha utilizzato i geni di JCVI-syn1.0 per sintetizzare un genoma ancora più piccolo, che hanno chiamano JCVI-syn3.0, costituito da 531.560 coppie di basi e 473 geni (Fig.1). Un confronto tra questi due genomi ha rivelato un insieme comune di 256 geni che il team ritiene possa rappresentare un insieme minimo di geni necessari per la vitalità.

Figura 1 – Descrizione dei geni del genoma JCVI-syn3.0 coinvolti nelle principali attività cellulari fondamentali per la vita e l’auto-replicazione della cellula sintetica.

In quello che è stato un “tour-de-force” della biologia sintetica, il team della JCVI ha basato il proprio lavoro su cicli ripetuti di “progettazione-costruzione-test”, sfruttando un modello di tipo top-down, ossia scartando gradualmente i geni non essenziali e riducendo il genoma ad un set minimo.

Per fare questo, i ricercatori hanno diviso il genoma di JCVI-syn1.0, contenente 901 geni, in otto sezioni per poi cancellare una sezione alla volta e verificare se il genoma risultante fosse ancora compatibile con la vita. Tale approccio ha permesso di identificare i gruppi geni fondamentali da utilizzare nel successivo step di mutagenesi mediante trasposoni, per distruggere sistematicamente la funzione dei singoli geni al fine di individuare, in maniera precisa e selettiva, i geni da conservare nella struttura finale del genoma e quali invece eliminare.

Nonostante JCVI-syn3.0 contenga soltanto 600.000 paia di basi in meno rispetto al genoma naturale di Mycoplasma mycoides, il tempo di replicazione cellulare è significativamente più veloce (3 ore contro settimane), rendendolo molto più funzionale come organismo sperimentale (Fig. 2).

Figura 2 – Immagine al microscopio delle cellule sintetiche, contenenti il genoma JCVI-syn3.0, in fase di replicazione.

Questo risultato apre anche la strada alle prime applicazioni della vita artificiale: su questo “kit di base” comune a tutti i viventi sarà possibile, in futuro, innestare specifiche funzioni per ottenere batteri con specializzazioni particolari, come ad esempio produrre biofarmaci, biocarburanti o bonificare terreni e acque contaminate.

Nonostante tutte queste scoperte, è forse ciò che rimane ancora da scoprire che è più intrigante per gli scienziati in questo campo: dei 473 geni del DNA minimo, la funzione di 149 resta ancora sconosciuta. Infatti, nonostante le sue piccole dimensioni, circa il 17% del genoma di JCVI-syn3.0 rimane una scatola nera, il ché suggerisce la presenza di nuove funzioni essenziali per la vita e promette nuovi approfondimenti sulla biologia di base.

 

Sitografia

Bibliografia

  • Hutchison CA, Chuang RY, Noskov VN, Assad-Garcia N, Deerinck TJ, Ellisman MH, Gill J, Kannan K, Karas BJ, Ma L, Pelletier JF, Qi ZQ, Richter RA, Strychalski EA, Sun L, Suzuki Y, Tsvetanova B, Wise KS, Smith HO, Glass JI, Merryman C, Gibson DG, Venter JC. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science, 2016, Vol 351, Issue 6280. DOI: 10.1126/science.aad6253

Crediti immagini

  • http://discovermagazine.com/2017/janfeb/5-biologists-create-organism-with-smallest-genome
  • https://biotechin.asia/2016/03/26/scientists-create-a-synthetic-bacterial-cell-with-just-enough-genes-for-life/
  • https://www.linkedin.com/pulse/let-me-introduce-you-jcvi-syn-30-new-fully-synthetic-carvalho-phd/

Nicola Di Fidio, Ph.D. student
Department of Chemistry and Industrial Chemistry – University of Pisa
Via G. Moruzzi 13 – 56124 Pisa
MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies
Mob: +39 3299740251
Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com
Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

Informazioni su Nicola Di Fidio 31 Articoli
Nicola Di Fidio, Ph.D. student Department of Chemistry and Industrial Chemistry - University of Pisa Via G. Moruzzi 13 - 56124 Pisa MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies Mob: +39 3299740251 Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

Commenta per primo

Rispondi