Gli esseri umani hanno usato ciò che sanno sul mondo biologico per produrre cose da secoli: dalla birra agli antibiotici. E se potessi manipolare quel mondo a un livello genetico molto elementare per creare qualcosa di cui hai bisogno? Programmare una cellula per produrre un farmaco, generare energia o attaccare un agente patogeno nel corpo sembra roba da fantascienza, ma è ciò che promette il campo emergente della biologia sintetica.
Contenuto relativo
- Il lievito artificiale potrebbe aprire un mercato antidolorifico fai-da-te
- Panda Poop potrebbe essere il segreto per un biocarburante più efficiente?
- Lieviti del Sud selvaggio
- Big Brew-ah-ah: gli scienziati scoprono il lievito selvaggio di Lager
A un livello molto elementare, la biologia sintetica è un po 'come costruire una struttura complessa da Legos. Proprio come l'ingegnere Lego deve capire come si adattano tutti i piccoli blocchi, gli scienziati devono capire esattamente quali elementi genetici hanno bisogno e come quegli elementi si adattano insieme per costruire queste strutture biologiche, che si tratti di un gene, di un percorso che coinvolge alcuni geni o persino un cromosoma completo, una struttura che contiene centinaia di geni.
Negli ultimi sette anni, un team internazionale di ricercatori ha scoperto come costruire un cromosoma di lievito da zero. Ora ne hanno costruito uno con successo e lo hanno integrato in una cellula di lievito vivente. Il loro lavoro, pubblicato oggi su Science, segna un progresso significativo nel campo della biologia sintetica e un passo cauto verso la capacità di creare genomi di design per piante e animali.
"È il cromosoma più ampiamente modificato mai costruito. Ma la pietra miliare che conta davvero è l'integrazione in una cellula di lievito vivente", ha detto Jef Boeke, genetista del Langone Medical Center della New York University e co-autore dello studio.
Perché lievito Per prima cosa, gli umani hanno una lunga relazione con i funghi. Il lievito di birra ( Saccharomyces cerevisiae ) è stato utilizzato per produrre birra e cuocere il pane fin dai tempi antichi. Oggi, il moderno settore delle biotecnologie industriali sta iniziando a utilizzare il lievito per produrre vaccini, medicine e biocarburanti. Nel moderno laboratorio di biologia, il lievito è anche un organismo modello perché le sue cellule funzionano in modo simile alle cellule umane. Sia l'uomo che il lievito sono eucarioti, il che significa che le loro cellule contengono un hub centrale chiamato un nucleo che immagazzina il DNA in cromosomi strettamente avvolti. Di conseguenza, sappiamo molto sulla biologia e la genetica del lievito.
Il genetista Jef Boeke esamina un piatto di colonie di lievito contenente una versione sintetica di un cromosoma specifico (Foto: NYU Langone) Tuttavia, per gli organismi senza un nucleo cellulare, la biologia sintetica ha già prodotto interi genomi. Gli scienziati hanno progettato e riprodotto virus per circa un decennio. Nel 2008, i ricercatori del J. Craig Venter Institute nel Maryland hanno costruito un genoma batterico completo e hanno continuato a produrre il primo organismo vivente con un genoma sintetico (un batterio monocellulare). Ma un tale genoma microbico contiene solo un cromosoma, mentre gli umani hanno 23 coppie e il lievito di birra ne ha 16. Avere così tanti geni in gioco può significare molta più variabilità, in modo tale che la modifica di un gene possa avere implicazioni di vasta portata in tutto il genoma.
Uno dei cromosomi del lievito, ad esempio, contiene un gene per il tipo di accoppiamento del lievito (una specie di genere simile) che governa di per sé molti altri geni attraverso il genoma. Ciò ha reso un interessante punto di partenza per Boeke e i suoi colleghi. Su un computer, hanno progettato ciò che volevano che fosse la loro versione sintetica di questo cromosoma. Quindi alla Johns Hopkins University di Baltimora, il team di Boeke aveva bisogno di DNA, così iniziò a chiedere l'aiuto di studenti universitari attraverso un corso "Genera-A-Genoma" nel 2007. Gli studenti hanno ricucito nucleotidi, i composti che formano i filamenti di DNA, per abbreviare frammenti di sequenza genetica o "blocchi".
Per incollare quei mattoni in "minichunks" più grandi, i ricercatori hanno usato diversi trattamenti enzimatici e hanno persino usato le macchine di assemblaggio genetico del lievito. Infine, hanno approfittato della tendenza del lievito a ricombinare pezzi di DNA nel proprio genoma da assemblare, pezzo per pezzo. Alla fine, il lievito ha sostituito il cromosoma originale selezionato con la versione sintetica. Boeke paragona l'intero processo alla costruzione di un libro: inizi creando parole, poi paragrafi, pagine, capitoli e infine il libro stesso.
Una volta costruito, Boeke e i suoi colleghi volevano testare la funzionalità del cromosoma sintetico nelle cellule di lievito. I ricercatori hanno progettato il cromosoma per includere marcatori speciali sui geni ritenuti non essenziali: i marcatori sono stati progettati in modo da poter essere innescati da un enzima per mescolare, eliminare o duplicare geni.
Il team ha quindi attivato sistematicamente i marcatori per apportare più di 50.000 modifiche al cromosoma sintetico in punti specifici del codice, attività rischiosa perché cambiamenti casuali potrebbero facilmente uccidere la cellula di lievito. "È un cromosoma molto pervasivamente modificato", afferma Boeke. Quando hanno cambiato o eliminato i geni, alcune cellule sono cresciute meglio di altre in varie condizioni, ma tutte le cellule sono cresciute.
Inoltre, indipendentemente dal modo in cui i ricercatori hanno modificato le condizioni di crescita, le cellule con il cromosoma sintetico generavano ancora colonie di lievito. "Nonostante tutti questi cambiamenti, in realtà abbiamo un lievito che sembra un lievito, ha un odore di lievito e produce alcol come un lievito, dice Boeke." Non possiamo davvero distinguerlo, eppure è così diverso. "Ciò significa che il genoma del lievito - almeno le parti che i ricercatori hanno innescato per cambiare - è altamente resistente e può gestire molte mutazioni, una scoperta che è piuttosto impressionante dal punto di vista dell'ingegneria genetica.
Una mappa del cromosoma di lievito di design costruito da Boeke e dai suoi colleghi. (Immagine: Boeke et al.) “Questo lavoro riporta il primo cromosoma eucariotico di design che è stato sintetizzato da zero, che è un passo importante verso la costruzione di un genoma eucariotico di design. Apre le porte a molte questioni scientifiche e tecniche ", afferma Huimin Zhao, ingegnere biomolecolare dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Ad esempio, il cromosoma sintetico prodotto dal team di Boeke è del 14 percento più piccolo del normale cromosoma che hanno cercato di duplicare. Quindi, qual è il genoma più piccolo di cui avremmo bisogno per creare una cellula di lievito funzionante? Sulla base dei metodi applicati qui, possono iniziare a testare quelle domande in laboratorio. E anche se i percorsi di ricerca abbondano, Boeke afferma che il prossimo passo per il suo team sarà quello di utilizzare queste tecniche per sintetizzare l'intero genoma del lievito.
Dopo aver sintetizzato il genoma, i ricercatori potrebbero, in teoria, utilizzare i marker per modificare diversi geni su una scala più ampia. Questo potrebbe permetterglielo personalizzare le cellule di lievito con genomi sintetici adatti a scopi specifici.
Ad esempio, alcune ditte di biotecnologia hanno già inserito geni in cellule di lievito a replicazione rapida per produrre grandi quantità di una versione sintetica dell'artemisinina del farmaco per la malaria e la progettazione di un genoma del progettista potrebbe migliorare il processo di fabbricazione. In che modo l'ingegnerizzazione di un genoma del designer potrebbe migliorare il processo di fabbricazione? Quali nuovi tipi di medicinali potrebbero essere prodotti con lieviti appositamente studiati? O a un livello meno altruistico, quali nuovi tipi di birre? Sia che tu stia cercando di curare le malattie umane o che desideri semplicemente un raffreddore soddisfacente alla fine della giornata, la biologia sintetica è ora un passo avanti per aiutarti.
