Il DNA sintetico può sembrare fantascienza, ma sta rapidamente diventando realtà. I ricercatori hanno creato una cellula di lievito contenente oltre il 50% di genoma artificiale, compreso il primo cromosoma completamente artificiale al mondo.
Gli scienziati avevano precedentemente prodotto genomi batterici e virali artificiali, ma il passo successivo riguardava gli eucarioti, una cellula in cui l’intero genoma si trova all’interno di un nucleo legato a una membrana. Il lievito potrebbe essere stato la scelta naturale per questo, come il lievito di birra (Lievito di vino) ha un genoma compatto di soli 16 cromosomi e ha una capacità innata di collegare insieme il DNA.
Tuttavia, i ricercatori coinvolti nel progetto Synthetic Yeast Genome (Sc2.0) volevano fare qualcosa di leggermente diverso dalla semplice sintesi del DNA, dando al lievito un genoma “progettista”. “Abbiamo deciso che era importante produrre qualcosa che fosse strettamente modificato dal design della natura”, ha detto nell’articolo Jeff Buckey, autore principale e responsabile di Sc2.0. dichiarazione. “Il nostro obiettivo generale era quello di costruire un lievito che potesse insegnarci una nuova biologia”.
Creare un genoma artificiale
Il team ha prima rimosso il cosiddetto DNA “spazzatura” dal genoma e lo ha sostituito con frammenti di DNA fresco per aiutarli a distinguere tra geni sintetici e originali, quindi ha rimescolato l’ordine dei geni. C’era anche un’altra importante rimozione da effettuare: i geni tRNA.
Sebbene le proteine che codificano svolgano un ruolo cruciale all’interno delle cellule, i geni tRNA rendono anche instabile il genoma del lievito. Con un passo rivoluzionario, i ricercatori li hanno rimossi e trasferiti su un “nuovo cromosoma” completamente nuovo basato sui geni t-RNA. “Il nuovo cromosoma tRNA è il primo cromosoma completamente artificiale al mondo”, ha affermato il coautore Patrick Yezi Cai. “Non c’è niente di simile in natura.”
Insieme al nuovo cromosoma, i ricercatori hanno assemblato ciascun cromosoma in modo indipendente, prima di creare 16 ceppi di lievito parzialmente artificiali, ciascuno contenente 15 cromosomi normali e uno artificiale.
Metti insieme i pezzi
Poi è arrivata la parte difficile: riunire tutti i cromosomi artificiali in un’unica cellula di lievito. Ciò ha comportato una combinazione della classica tecnica genetica – l’ibridazione – e alcuni approcci completamente nuovi. L’ibridazione è stata lenta e, sebbene il lievito risultante contenesse più del 30% di genomi sintetici, i ricercatori ne stavano cercando di più.
Dopo aver utilizzato un nuovo metodo chiamato sostituzione cromosomica e una tecnologia simile a CRISPR/Cas9 per riparare i difetti genetici, sono stati in grado di ottenere una singola cellula di lievito contenente più del 50% di DNA sintetico. La manipolazione del suo genoma avrebbe potuto far crescere il lievito o farlo sembrare anomalo, ma grazie a un’attenta produzione, il lievito è sopravvissuto e si è riprodotto in modo simile al lievito selvatico.
“Il team ha ora riscritto il sistema operativo del lievito in erba, aprendo una nuova era della biologia ingegneristica, passando dal armeggiare con una manciata di geni alla progettazione de novo e alla costruzione di interi genomi”, ha detto Kay.
Prossimi passi
Il lievito è stato per lungo tempo un alimento base nella produzione di cibi e bevande – è il motivo per cui abbiamo pane e birra decenti, tutti dicono “Grazie, lievito” – e nella scienza, per la produzione di sostanze chimiche e come organismo modello. Usando il DNA sintetico, possiamo fare molti passi avanti in questi settori, come ha spiegato nel suo articolo Ben Blunt, uno dei principali scienziati. dichiarazione.
“I cromosomi artificiali rappresentano di per sé enormi conquiste tecniche, ma apriranno anche una serie di nuove funzionalità per il modo in cui studiamo e applichiamo la biologia. Ciò potrebbe variare dalla creazione di nuovi ceppi microbici per una bioproduzione più verde, all’aiutarci a comprendere e controllare le malattie .”
Il prossimo passo sarà combinare tutti i 16 cromosomi artificiali in un’unica cellula di lievito. Non è facile, ma i ricercatori sono ottimisti. “Siamo ormai lontani dal traguardo di avere tutti i 16 cromosomi in una cellula”, ha detto Bucky.
“Mi piace chiamarla la fine dell’inizio, non l’inizio della fine, perché allora saremo davvero in grado di iniziare a mescolare quella superficie e produrre lievito in grado di fare cose che non abbiamo mai visto prima.”
Lo studio è pubblicato sulla rivista cellula.
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