SpudCell-immagine: le SpudCells, mostrate in un’immagine composita basata sulla microscopia, imitano funzioni cellulari chiave. Credit Orion Venero/Laboratorio Adamala.
Si tratta semplicemente di una goccia d’acqua microscopica circondata da una membrana lipidica e piena di sostanze chimiche e frammenti di DNA che codificano appena 36 geni. Ma è anche probabilmente quanto di più vicino i ricercatori siano mai arrivati a costruire una cellula vivente da zero. In un lavoro pubblicato online oggi, la biologa sintetica Kate Adamala dell’Università del Minnesota Twin Cities e il suo team dimostrano che la loro creazione, soprannominata SpudCell, può crescere fondendosi con altre gocce, replicare il proprio genoma e dividersi.
“Si tratta di un risultato scientifico straordinario”, afferma Roseanna Zia, biologa cellulare computazionale presso l’Università del Missouri. Tuttavia, i ricercatori sottolineano che SpudCell è ancora ben lontana dall’essere una cellula vivente, poiché non è in grado di dividersi per molte generazioni né di evolversi.
Alcuni hanno anche criticato gli sforzi di Adamala per attirare l’attenzione sul lavoro, che a suo dire è stato rifiutato da Cell dopo che un revisore ha affermato che le SpudCells non erano vera biologia. Ha quindi inviato il manoscritto di 190 pagine ai giornalisti, sotto embargo, ancor prima di averlo caricato sul server di preprint bioRxiv, dove i suoi colleghi avrebbero potuto leggerlo e valutarlo. Afferma che il suo gruppo lo sottoporrà presto a una nuova rivista. “È un modo insolito di fare le cose”, afferma Kerstin Göpfrich, biologa sintetica all’Università di Heidelberg.
Da tempo i ricercatori sognano di creare cellule in laboratorio, sia per comprendere i fondamenti della vita, sia per produrre cellule che possano essere modificate geneticamente per sintetizzare determinati composti. Tuttavia, la maggior parte si è limitata a obiettivi più modesti, cercando di replicare singole funzioni cellulari, come l’alimentazione o la crescita. Combinare più funzioni si è rivelato estremamente difficile, poiché ciascuna tende a funzionare al meglio in condizioni diverse, ad esempio con una certa quantità di magnesio o un livello specifico di acidità. “Essere in grado di integrare tutti questi moduli in una cellula sintetica è l’impresa che il settore attendeva da tempo“, afferma Job Boekhoven, chimico dei sistemi presso l’Università Tecnica di Monaco, pur sottolineando che le affermazioni del nuovo articolo devono essere sottoposte a revisione paritaria.
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I ricercatori che cercano di costruire cellule sintetiche da zero hanno utilizzato le molecole viventi esistenti, come il DNA e gli acidi grassi, oppure hanno sviluppato elementi costitutivi sintetici. Le SpudCells seguono la prima strada, basandosi sul sistema PURE, sviluppato decenni fa: una sorta di kit di base delle biomolecole, tra cui proteine e ribosomi, necessarie per trascrivere il DNA in RNA messaggero e tradurre l’RNA in proteine. Altri ricercatori avevano inserito questi elementi costitutivi in liposomi, essenzialmente goccioline d’acqua circondate da acidi grassi, per creare sistemi con alcune delle funzioni cellulari di base, come la produzione di proteine. “Ma [le goccioline] non sono mai state in grado di nutrirsi e dividersi in base al loro genoma“, afferma Adamala.
Grazie a un’ingegnosa ingegneria, il suo team ha progettato SpudCell proprio per questo scopo. Ha dotato il suo piccolo genoma, 50 volte più piccolo di quello di un batterio tipico, di geni che consentono a SpudCell di produrre speciali marcatori molecolari e di presentarli sulla superficie della goccia. Lì, questi marcatori fungono da punti di ancoraggio per le vescicole nutritive, liposomi più piccoli che contengono enzimi e altre molecole necessarie al nucleo della goccia. Questi “pasti” permettono a SpudCell di crescere e replicare il proprio genoma.
In una seconda fase, i ricercatori hanno codificato nel genoma di SpudCell un meccanismo per la divisione delle goccioline: un altro tipo di marcatore di superficie, chiamato FLAG, in grado di legarsi a una grande molecola nota come streptavidina. Il legame genera repulsione tra le molecole di superficie; quando viene aggiunta una quantità sufficiente di streptavidina al mezzo, la forza può essenzialmente dividere la gocciolina in due. “È quanto di più semplice si possa immaginare”, afferma Adamala.
“Il processo di divisione è molto inefficiente”, ammette Adamala. Per ottenere più cicli di divisione, i ricercatori hanno dovuto dividere meccanicamente le SpudCells premendole attraverso una membrana con minuscoli fori. Ripetendo questa operazione più volte, è emerso un altro problema: poiché i genomi replicati non si separano nettamente durante la divisione, solo il 30% delle SpudCells presentava il genoma completo dopo cinque cicli di divisione.
Il complesso meccanismo che produce le proteine, il ribosoma, si degrada nel tempo all’interno di una SpudCell e il sistema non è in grado di produrre nuovi ribosomi o di eliminare quelli vecchi. “Ciononostante, la SpudCell rappresenta “un momento catalizzatore”, afferma Drew Endy, biologo sintetico dell’Università di Stanford. “Dimostra che mettendo insieme quattro o cinque elementi diversi, provenienti da ambiti accademici disparati, si può a malapena riuscire a far crescere e dividere questo organismo“.
Inizialmente i colleghi di Adamala volevano dare il suo nome alla creazione del laboratorio. “Chiamatela con un nome diverso dal mio, chiamatela patata, non mi interessa”, racconta di aver detto loro. “Il nome SpudCell è rimasto e l’eco dello Sputnik è benvenuta”, afferma Adamala.
“Poiché i componenti di SpudCell sono ben noti“, afferma Adamala, “i biologi dovrebbero essere in grado di migliorarlo gradualmente. È inefficiente, ma si sa esattamente come è costruito”, dice. “Al contrario”, aggiunge, “i biologi sintetici che cercano di modificare le cellule esistenti per altri scopi sono ostacolati dalla mancanza di conoscenze. Mentre le sue cellule assomigliano al primo aereo dei fratelli Wright”, spiega, “i ricercatori che partono da cellule reali sono “come un ingegnere” a cui viene dato un Dreamliner completo senza tutti i progetti“.
Sebbene le SpudCells non abbiano ancora la capacità di evolversi tipica della vita, uno degli esperimenti di Adamala va in quella direzione: ha inserito una mutazione genetica in alcune SpudCells che le porta a produrre più marcatori di superficie per le vescicole nutritive, a ingerire più “cibo” e a crescere più velocemente. In effetti, le SpudCells mutate hanno superato in competitività le versioni non mutate. Dopo cinque cicli di crescita e divisione, circa il 60% dei genomi presentava la mutazione. Tuttavia, non si è trattato di evoluzione darwiniana naturale perché i ricercatori hanno inserito la mutazione e hanno dovuto dividere meccanicamente le cellule. “È un articolo molto interessante“, afferma Seraphine Wegner, ricercatrice all’Università di Münster. “Ma non credo che significhi che siamo vicini alla creazione di una cellula completamente sintetica“.
Endy ritiene comunque che le SpudCells rappresentino un notevole passo avanti. Quando vide i risultati per la prima volta più di un anno fa, iniziò a contattare enti governativi e filantropici per finanziare un ambizioso progetto volto a rendere le vere cellule sintetiche una realtà. Insieme ad Adamala e ad altri due ricercatori, Endy ha fondato un Istituto di ricerca senza scopo di lucro chiamato Biotic, con l’obiettivo di coordinare diversi gruppi di ricerca e accelerare il lavoro. “Finora, l’organizzazione ha raccolto un capitale iniziale dell’ordine di 10 milioni di dollari”, afferma Endy, “e la maggior parte di questa somma verrà erogata sotto forma di sovvenzioni per la ricerca a settembre”.
Endy approva l’approccio di Adamala alla divulgazione del suo articolo. “Non mi sorprende che alcuni colleghi non siano del tutto contenti di quello che sta facendo”, afferma. “Penso che Kate stia dimostrando molto coraggio e che stia facendo un regalo a tutti. Sarebbe molto più facile per lei tenere tutto questo per sé”.
“Pubblicare rapidamente i risultati della ricerca, anche senza revisione paritaria, era fondamentale per dare il via al progetto sulle cellule sintetiche“, afferma Adamala. “È come la scintilla”.
Fonte: Science