Trasformare una cellula in un’altra, nuova: è ciò che hanno compiuto i ricercatori del J. Craig Venter Institute (JCVI) a Rockville (Maryland) e San Diego (California). 
Il team, composto da circa 20 persone, tra cui Craig Venter, Hamilton Smith e Clyde Hutchison, per circa 15 anni ha lavorato ad un progetto che li ha portati alla “costruzione” di un genoma sintetico e funzionante.
Fig. 1 – Assemblaggio del genoma sintetico di M. mycoides nel lievito
Lo studio ha permesso la realizzazione di un cromosoma batterico, che è stato successivamente trasferito con successo in un nuovo batterio, sostituendo così il DNA originario [1].
Questo prima cellula batterica “sintetica” in grado di replicarsi è stata chiamata Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 ed è la prova che i genomi possono essere progettati al computer, realizzati in laboratorio e trapiantati in una cella ricevente, in modo da produrre una nuova cellula in grado di replicarsi.
Già nel 1977 Sanger e colleghi furono in grado di ottenere per la prima volta la sequenza completa del genoma di un fago [2]; in seguito, nel 1995 Verter e il suo team sequenziarono le 600 000 basi cromosomiche del batterio chiamato Mycoplasma genitalium, il più piccolo genoma di un organismo vivente, che possiede infatti circa 500 geni [3,4]. Tuttavia, in seguito alla lenta crescita di questo organismo, il team ha deciso di dirottare le ricerche verso un nuovo batterio più complesso, ma in grado di crescere più velocemente. I ricercatori hanno successivamente sequenziato il genoma di M. mycoides e cominciato a creare una copia sintetica del suo cromosoma. Per fare ciò, è stato “comprato DNA”: il cromosoma sintetico è stato realizzato partendo da quattro prodotti chimici e utilizzando un sintetizzatore chimico. Poichè le attrezzature oggi disponibili sono in grado di assemblare solo stringhe di DNA corte, per facilitare il loro assemblaggio nell’ordine corretto sono ricorsi al lievito, che possiede enzimi riparatori in grado di incollare uno spezzone all’altro [5]. Hanno quindi inserito i vari spezzoni di DNA batterico nel lievito per ben tre volte, affidando alla natura il compito di legare uno spezzone all’altro fino ad avere il cromosoma batterico intero e in questo modo hanno potuto produrre un genoma di oltre un milione di paia di basi. L’intero genoma sintetico è stato così ricostruito; tuttavia, quando i ricercatoril’hanno trasferito in M. capricolum, un batterio biologicamente vicino a M. mycoides, non è avvenuta nessuna replicazione.
Fig. 2 – Colonia di batteri artificiali visti al microscopio elettronico (SEM)
Tutto a causa di un unico errore in una singola base: una volta trovato e corretto, nella primavera 2010 i ricercatori hanno finalmente visto i primi segnali del loro successo. La crescita rapida di una colonia blu nella piastra di incubazione del batterio, avvenuta in un solo weekend, ha mostrato che le nuove cellule possedevano il genoma trapiantato.
In seguito al sequenziamento del DNA di questa colonia, che ha confermato che il DNA del batterio fosse quello sintetico, e all’analisi delle proteine che sono risultate quelle caratteristiche del genoma sintetico di M. mycoides e non di M. capricolum, i ricercatori hanno potuto confermare la trasformazione di una cellula in un’altra.
Questo lavoro rappresenta un importante tassello nel nuovo campo della “genomica sintetica” e dimostra come ci possa essere la possibilità di creare nuovi organismi dotati di genomi sintetici, aprendo la strada a possibili applicazioni sia in campo terapeutico che in altri settori, come quelli ambientali o alimentari.
Fig. 3 – Colonie batteriche in cui il trapianto di genoma artificiale ha avuto successo
Si spera infatti di poter utilizzare questi risultati per comprendere il meccanismo di base della vita e per creare batteri ingegnerizzati, progettati appositamente per risolvere alcuni fra i problemi attuali, come quelli energetici o ambientali.
Il grande dilemma sullo sviluppo della “genetica sintetica” resta: non si possono prevedere i benefici e i rischi che una scoperta del genere porterà a lungo termine, tuttavia si crede che queste nuove tecnologie sviluppate dal JCVI potranno riservare importanti applicazioni anche in campo industriale. Tra quelle possibili emergono sviluppi sulle alghe, capaci di catturare la CO2, sui microbi per produrre nuovi carburanti o nuove sostanze chimiche, applicazioni per la produzione più rapida di vaccini, così come per la pulizia di acque o suoli inquinati.
LAURA
Riferimenti:
1. D. G. Gibson et al., Science 329, 52 (2010).
2. F. Sanger et al., Nature 265, 687 (1977).
3. C. A. Hutchison III et al., Science 286, 2165 (1999).
4. H. O. Smith, J. I. Glass, C. A. Hutchison III, J. C. Venter, in Accessing Uncultivated Microorganisms: From the Environment to Organisms and Genomes and Back, K. Zengler, Ed. (American Society for Microbiology, Washington, DC, 2008), p. 320.
5. D. G. Gibson et al., Science 319, 1215 (2008).
