I ricercatori del Laboratorio di biologia molecolare del Medical Research Council inglese hanno creato con successo batteri E. coli con DNA interamente umano, segnando una pietra miliare nel campo fiorente della biologia sintetica e aprendo la strada per l'innovazione futura costruita sui cosiddetti batteri "designer" .
Secondo un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature, il genoma sintetico è di gran lunga il più grande del suo genere. Frutto di una campagna di ricerca di due anni, il DNA riprogettato è composto da quattro milioni di segmenti, quattro volte più del precedente detentore del record. Forse più sorprendentemente, i batteri contengono solo 61 codoni, a differenza dei 64 trovati in quasi tutte le creature viventi. Nonostante questa apparente disparità, i batteri sintetici sembrano funzionare in modo molto simile al normale E. coli. Le principali differenze, come riporta Carl Zimmer del New York Times, sono un tasso di crescita più lento e una lunghezza maggiore.
"Non era del tutto chiaro se fosse possibile realizzare un genoma così grande e se fosse possibile cambiarlo così tanto", ha scritto il coautore dello studio Jason Chin, un biologo dell'Università di Cambridge, secondo Ian Sample del Guardian .
Ma come Tom Ellis, direttore del Center for Synthetic Biology all'Imperial College di Londra e revisore dello studio, spiega a Ryan Mandelbaum di Gizmodo, gli sforzi del team alla fine sono culminati in un "tour de force" per il campo: "Hanno sintetizzato, costruito e dimostrato che un genoma sintetico da 4 milioni di coppie di basi potrebbe funzionare ”, afferma Ellis. "È più di quanto nessuno avesse mai fatto prima."
Per "ricodificare" un genoma, gli scienziati devono manipolare i 64 codoni, o combinazioni di tre lettere delle molecole di DNA A, T, C e G - abbreviazione di adenina, timina, citosina e guanina - che alimentano tutti gli organismi viventi. Poiché ciascuna delle tre posizioni in un codone può contenere una qualsiasi delle quattro molecole, ci sono 64 combinazioni possibili totali (4 x 4 x 4). Queste combinazioni, a loro volta, corrispondono a specifici aminoacidi o composti organici che costruiscono le proteine necessarie per la vita. Il TCA, ad esempio, coincide con l'amminoacido serina, mentre l'AAG specifica la lisina. Il TAA agisce come una sorta di segnale di stop, segnalando all'organismo di smettere di aggiungere aminoacidi a una proteina in via di sviluppo, spiega Sharon Begley di STAT.
C'è un'altra presa in questo processo già complesso: poiché ci sono solo 20 amminoacidi associati al codice genetico, più codoni possono corrispondere a un acido. Serine, ad esempio, è collegato non solo a TCA, ma a AGT, AGC, TCT, TCC e TCG. Come scrive John Timmer per Ars Technica, la discrepanza nel numero di codoni rispetto agli aminoacidi rende 43 codoni in gran parte estranei. Sebbene le cellule utilizzino questi set extra come codici di stop, strumenti regolatori e percorsi più efficienti verso la codifica di una specifica proteina, resta il fatto che molti sono ridondanti.
Determinare la ridondanza di questi codoni extra ha richiesto lunghi tentativi ed errori. Chin dice a Begley: "Ci sono molti modi possibili per ricodificare un genoma, ma molti sono problematici: la cellula muore".
Per creare il genoma sintetico di successo, Chin e i suoi colleghi hanno sostituito ogni istanza dei codoni serici TCG e TCA con AGC e AGT, rispettivamente. Il team ha anche sostituito ogni codone TAG, segnalando un arresto, con TAA. In definitiva, osserva Zimmer del New York Times, il DNA ricodificato utilizzava quattro codoni serini anziché quattro e due codoni di stop anziché tre. Fortunatamente, gli scienziati non hanno dovuto completare questo lavoro a mano. Invece, hanno fatto le 18.214 sostituzioni trattando il codice E. coli come un enorme file di testo ed eseguendo una funzione di ricerca e sostituzione.
Il trasferimento di questo DNA sintetico nei batteri si è rivelato un compito più difficile. Data la lunghezza e la complessità del genoma, il team non è stato in grado di introdurlo in una cellula in un solo tentativo; invece, gli scienziati hanno affrontato il lavoro in più fasi, rompendo scrupolosamente il genoma in pezzi e trapiantandolo un po 'alla volta in batteri viventi.
I risultati dei ricercatori sono duplici, dice Chin in un'intervista con Antonio Regalado del MIT Technology Review . Non solo il genoma riprogettato è un "risultato tecnico", ma "ti dice qualcosa di fondamentale sulla biologia e quanto sia realmente malleabile il codice genetico".
Secondo il campione di Guardian, la ricerca potrebbe aiutare gli scienziati a creare batteri resistenti ai virus equipaggiati per l'uso nell'industria biofarmaceutica; E. coli è già utilizzato per produrre insulina e composti medici che trattano il cancro, la sclerosi multipla, gli attacchi di cuore e le malattie degli occhi, ma grazie alla suscettibilità del DNA non sintetico a determinati virus, la produzione può essere facilmente bloccata.
Un'altra implicazione chiave degli studi si concentra sugli aminoacidi. Come scrive Roland Pease della BBC News, l'uso del genoma di E. coli di 61 su 64 possibili codoni lascia tre aperti alla riprogrammazione, aprendo la porta a "blocchi innaturali" in grado di svolgere funzioni precedentemente impossibili.
Parlando con Zimmer, Finn Stirling, un biologo sintetico della Harvard Medical School che non era coinvolto nella nuova ricerca, conclude: "In teoria, potresti ricodificare qualsiasi cosa".
