Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0

È il nome della prima cellula sintetica, derivata da un cromosoma artificiale.
Il risultato viene dal gruppo di scienziati che fa capo a Craig Venter,
già autore nel 2007 della prima mappa del Dna umano.
«È cambiato il punto di vista sulla definizione della vita»,
ha commentato il biologo americano.
La notizia è stata pubblicata dalla rivista Science.

Con questa realizzazione, ha detto Venter,
«cambia la definizione di ciò che si intende per “vita”.
Questa è la prima specie auto-replicante
esistente sul pianeta Terra il cui padre è un computer» (Ansa).

Oltre alle implicazioni filosofiche,
la cellula sintetica potrà comportare importantissime applicazioni pratiche.
Potrà servire per la pulizia dell’atmosfera,
per la produzione di vaccini,
e di nuovo combustibile attraverso batteri.

Per la prima volta istruzioni genetiche costruite a mano producono una cellula vivente

«Non è una genesi, non è come se un gatto venisse fuori da una pila di panni sporchi…»

Il primo microbo che vive interamente grazie al codice genetico sintetizzato da un uomo ha cominciato a proliferare in un laboratorio del J. Craig Venter Institute (JCVI). Venter e i suoi colleghi hanno usato un genoma sintetico, il DNA, il set di istruzioni genetiche per la vita, per costruire e far funzionare un nuovo, sintetico, tipo di batterio Mycoplasma mycoides. «È la prima specie ad avare un sito web nel suo codice genetico», ha detto J. Craig Venter.

Nei 15 anni passati, il genoma di migliaia di organismi È stato sequenziato e depositato in basi di dati (database). «Chiamiamo questo digitalizzazione della biologia», ha detto a Scientific American il biologo molecolare Daniel Gibson del JCVI. «Stiamo mostrando ora che è possibile invertire questo processo e sintetizzare cellule partendo da informazione digitalizzata… . Chiamiamo la cellula che abbiamo creato “sintetica” perché è controllata da un genoma assemblato da pezzi di DNA chimicamente sintetizzati». In altre parole, una sintesi chimica ha collegato adenina, citosina, guanina e timina in diversi modi, che poi sono stati assemblati in un genoma funzionante che può produrre proteine che permettono la vita. Usando pezzi di DNA noti come “cassettes”, intuitivamente pezzi di 1000 coppie base, il genoma sintetico finale, più di un milione di coppie base, è stato inserito in un cellula esistente di Mycoplasma copricolum. La cellula sintetica ha quindi cominciato a comportarsi come un M. mycoides, producendo proteine dalle istruizioni codificate nel genoma sintetico, quindi dividendosi e crescendo.

«È un grande affare – commenta George Church della  Harvard Medical School, genetista e sviluppartore della tecnologia. «Non è progressiva, ma c’è ancora da fare» – e nota che altri gruppi hanno già ottenuto prodotti reingegnerizzando parzialmente altri genomi, ad esempio il risultato sui biocombustibili da un E. coli reingegnerizzato. L’ingegnere biologico Drew Endy della Stanford University ha chiarito come interpretare questa creazione: «Non è una genesi, non è come se un gatto venisse fuori da una pila di panni sporchi in un angolo. La parola corretta è poesis, costruzione umana. Ora possiamo passare dall’informazione e ottenere un organismo replicante. È la sfida a capire come ingegnerizzare i genomi».

Arrivare a questo risultato non è stato senza difficoltà, come anche ottenere almeno 40 milioni di dollari di investimento su esperimenti importanti per oltre 15 anni, principalmente finanziati dalla compagnia privata di Venter, la Syntetic Genomics, e tra gli altri dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. I ricercatori hanno cominciato a lavorare sulla sintesi del genoma del Mycoplasma genitalium, che ha il più piccolo set di istruzioni genetiche che si conosca. Ma la crescita lenta dell’organismo e altre caratteristiche li hanno portati a spostarsi sui cugini geneticamente più complessi, M. mycoides e M. capricolum. Per semplificare le cose, loro hanno cancellato 14 geni dal genoma naturale del M. mycoides, lasciandone centinaia. Quindi, i ricercatori non riuscivano a trovare un modo per trasferire il genoma di un specie di batteri ad un’altra. Alla fine, l’uso di lieviti come stazione di assemblaggio ha permesso di manipolare più semplicemente il materiale genetico e di superare le resistenze naturali dei microbi alle modifiche del loro DNA. […]

«Quando il genoma sintetico è stato inserito nella cellula, la cellula ospite non ha funzionato, e non sapevamo perché, dice Gibson. Attraverso un controllo incrociato dell’intero genoma, gene dopo gene, dopo tre mesi di lavoro, i ricercatori hanno trovato l’errore fatale: una singola base mancante nel gene Dna, che è richiesta per la vita. «La precisione è essenziale, ha detto Venter, vi sono parti del genoma che non possono tollerare neanche un singolo errore». Certo, il resto della cellula originale rimane “fatta naturalmente”, ma i milioni di cellule figlie sono completamente assemblate dalle proteine codificate dal genoma sintetico. Una volta che il genoma sintetico corretto del M. mycoides è stato inserito nella cellula di M. capricolum, il 26 marzo, ha rimesso in funzione la meccanica della cellula, che ha cominciato a vivere, producendo proteine e quindi dividendosi e sviluppandosi.  Il 29 marzo, i ricercatori hanno trovato una colonia di di M. capricolum che cresceva guidata geneticamente da M. mycoides. «Le cellule con il loro genoma sintetico si stanno autoreplicando e sono capaci di crescita logaritmica», scrissero i ricercatori, e crescono «abbastanza più velocemente» dei loro parenti naturali.

Venter e i suoi colleghi hanno incluso quatro “identificativi” nel codice, per distinguere i microbi sintetici, detti Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0, dagli organismi naturali. Gli identificativi includono 46 nomi di chi ha contribuito alla costruzione del genoma sintetico, un indirizzo email e un sito web basato sul codice derivato dalle quattro lettere delle basi (A,T,C,G) e 64 combinazioni di quattro lettere, o triplette, che sono possibili nel codice genetico. «Quando metti un testo inglese dentro [il codice], questo genera molto frequentemente degli stop codons nel codice genetico che non permettono la produzione di grosse proteine – ha detto il microbiologista Hamilton Smith dello JCVI -, è progettata per essere biologicamente neutrale». Gibspm aggiunge: «Se uno è capace di leggere le sequence di identificazine, sarà anche capace di mandarci una email per provare che ha decodificato la sequenza».

Il codice genetico fatto a mano contiene anche tre citazioni: «Vivere, errare, cadere, trionfare, e ricreare vita dalla vita», da James Joyce; «vedere le cose non come sono ma come potrebbero essere», da Robert Oppenheimer via the Ethical Culture School in New York; e «ciò che non posso costruire, non posso capirlo», dal fisico Richard Feynmann.

La prima cellula sintetica è ora dormente in un freezer dello JVCI. «Se esiste un museo delle cellule, noi potremmo donarla», ha detto Venter. «Se ne dovessimo avere bisogno, potremo scongelarla e ricomincerà a replicarsi».

Cosa potrebbe andare male

La vita gestita dall’uomo in un laboratorio ha delle problematiche, incluso il fatto che potenzialmente una vita sintetica può scappare dal laboratorio e sterminare i suoi cugini naturali, o infettarli con il suo DNA sintetico attraverso un trasferimento di geni orizontale. Vari metodi sono stati suggeriti per controllare questi fenomeni, come costruire una sequenza genetica che non può esistere in natura, progettare delle debolezze per le cellule sintetiche o inserire dei geni suicida che uccidono l’organismo quando rimossi dall’ambiente. «Noi dipendiamo dalle alghe per una buona parte dell’ossigeno che respiriamo e sarebbe pessimo se le compromettessimo», ha detto Venter.

Le creazioni dell’uomo sono fragili comparate alle loro controparti naturali, che sono state disegnate da milioni di anni di evoluzione e competizione, nota Church, il quale suggerisce  anche di introdurre controlli durante la lavorazione o la creazione di un organismo sintetico: «Prima di tutto avere delle altre persone che supervisionano il lavoro che stai facendo, cosicché non sia una singola persona ad applicare un’idea». Dopo tutto, gli scienziati dello JCVI, «stanno costruendo ora differenti organismi», dice Gibson, noi vorremmo usare informazioni sul DNA note e creare cellule che producano energia, farmaci, trattenere l’anidride carbonica.

Infatti, Venter spera di usare le tecniche per sintetizzare vaccini antivirali in giorni piuttosto che in settimane o mesi. «Abbiamo fondi [National Institutes of Health] in un programma con Novartis per usare questi strumenti con DNA sintetico per fare i vaccini contro l’influenza, magari per il prossimo anno, ha detto Venter, così come sviluppare vaccini per virus che eludono i trattamenti usando la loro capacità di mutare rapidamente, come il rhinovirus (il comune raffreddore) e l’HIV (AIDS). Inoltre i ricercatori sperano di modificare un poco il genoma delle alghe per migliorare l’efficenza energetica della trasformazione di CO2 in hydrocarburi.

Lavorare con genomi più complicati rimane un compito difficile, tanti ricercatori tenteranno di creare il genoma più semplice possibile che ancora permetta la vita. «Possiamo ridurre gradatamente il genoma sintetico e ripetere l’esperimento di trasferimento, fino ad ottenere il genoma funzionante più piccolo possibile», dice Gibson, stimando che potrebbero essere meno della metà del milione di basi circa usate per il primo esperimento di genoma sintetico. «Questo ci aiuterebbe a capire il funzionamento di ogni gene nella cellula e quale sia il DNA richiesto per sostenere la vita nella sua forma più semplice». E come possa essere il DN per la biologia sintetica del futuro.

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David Biello, Man-made Genetic Instructions Yield Living Cells for the First Time, Scientific American, 20 maggio 2010.

Traduzione di Fulvio Forni.