Primo genoma batterico creato interamente con un computer

genoma batterico

Immagine, Caulobacter crescentus è un batterio innocuo che vive in acqua dolce in tutto il mondo (immagine al microscopio elettronico). Credito: ETH Zurigo.

Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo che semplifica enormemente la produzione di grandi molecole di DNA contenenti molte centinaia di geni. Con questo metodo, hanno costruito il primo genoma di un batterio interamente progettato da un algoritmo informatico

Il metodo ha il potenziale per rivoluzionare le biotecnologie.

Tutte le sequenze di organismi genomici conosciute in tutto il mondo sono archiviate in un database del Centro nazionale per le informazioni sulle biotecnologie negli Stati Uniti. Ad oggi, il database ha una voce aggiuntiva: Caulobacter ethensis -2.0. È il primo genoma di organismo vivente interamente generato da computer al mondo, sviluppato dagli scienziati dell’ETH di Zurigo. Tuttavia, bisogna sottolineare che sebbene il genoma di C. ethensis -2.0 sia stato fisicamente prodotto sotto forma di una molecola di DNA molto grande, un organismo corrispondente non esiste ancora.

C. ethensis -2.0 si basa sul genoma di un batterio d’acqua dolce ben studiato e innocuo, Caulobacter crescentus che è un batterio presente in natura in acque sorgive, fiumi e laghi in tutto il mondo. Non causa alcuna malattia. C. crescentus è anche un organismo modello comunemente usato nei laboratori di ricerca per studiare la vita dei batteri. Il genoma di questo batterio contiene 4000 geni. Gli scienziati hanno precedentemente dimostrato che solo circa 680 di questi geni sono cruciali per la sopravvivenza della specie in laboratorio. I batteri con questo genoma minimo sono vitali in condizioni di laboratorio.

Beat Christen, Professore di Biologia dei sistemi sperimentali presso l’ETH di Zurigo e suo fratello, Matthias Christen, un chimico dell’ETH di Zurigo, hanno preso come punto di partenza il genoma minimo di C. crescentus. Hanno deciso di sintetizzare chimicamente questo genoma da zero, come un cromosoma continuo a forma di anello. Un compito del genere era stato visto in precedenza come un vero tour de force: il genoma batterico sintetizzato chimicamente presentato undici anni fa dal pioniere della genetica americana Craig Venter era il risultato di dieci anni di lavoro di 20 scienziati, secondo quanto riportato dai media. Si dice che il costo del progetto abbia totalizzato 40 milioni di dollari.

Razionalizzazione del processo di produzione

Mentre il team di Venter faceva una copia esatta di un genoma naturale, i ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno modificato radicalmente il loro genoma usando un algoritmo informatico. La loro motivazione era duplice: una, per rendere molto più facile la produzione di genomi e due, per affrontare le questioni fondamentali della biologia.

Per creare una molecola di DNA grande quanto un genoma batterico, gli scienziati devono procedere passo dopo passo. Nel caso del genoma di Caulobacter, gli scienziati dell’ETH di Zurigo hanno sintetizzato 236 segmenti del genoma, che successivamente hanno messo insieme. “La sintesi di questi segmenti non è sempre facile”, spiega Matthias Christen. “Le molecole di DNA non solo possiedono la capacità di aderire ad altre molecole di DNA, ma a seconda della sequenza, possono anche trasformarsi in anelli e nodi, che possono ostacolare il processo di produzione o rendere impossibile la produzione“, spiega Matthias Christen.

Sequenze di DNA semplificate

Per sintetizzare i segmenti del genoma nel modo più semplice possibile e quindi riunire tutti i segmenti nel modo più semplificato, gli scienziati hanno semplificato radicalmente la sequenza del genoma senza modificare le informazioni genetiche effettive (a livello di proteine). Vi è ampia libertà per la semplificazione dei genomi, perché la biologia ha ridondanze incorporate per la memorizzazione di informazioni genetiche. Ad esempio, per molti componenti proteici (aminoacidi), ci sono due, quattro o anche più possibilità di scrivere le loro informazioni nel DNA.

L’algoritmo sviluppato dagli scienziati dell ‘ETH di Zurigo fa un uso ottimale di questa ridondanza del codice genetico. Usando questo algoritmo, i ricercatori hanno calcolato la sequenza di DNA ideale per la sintesi e la costruzione del genoma, che alla fine hanno utilizzato per il loro lavoro.

Di conseguenza, gli scienziati hanno seminato molte piccole modifiche nel genoma minimo, che nella loro interezza sono, comunque, impressionanti: più di un sesto di tutte le 800.000 lettere del DNA nel genoma artificiale sono state sostituite, rispetto al minimo “naturale” genoma. “Attraverso il nostro algoritmo, abbiamo completamente riscritto il nostro genoma in una nuova sequenza di lettere di DNA che non assomiglia più alla sequenza originale, ma la funzione biologica a livello proteico rimane la stessa“, afferma Beat Christen.

Test del tornasole per la genetica

Il genoma riscritto è anche interessante da una prospettiva biologica. “Il nostro metodo è una cartina di tornasole per verificare se noi biologi abbiamo capito correttamente la genetica e ci consente di evidenziare eventuali lacune nelle nostre conoscenze”, spiega Beat Christen. Naturalmente, il genoma riscritto può contenere solo informazioni che i ricercatori hanno effettivamente compreso. Eventuali informazioni aggiuntive “nascoste” che si trovano nella sequenza del DNA e che non sono state ancora comprese dagli scienziati, saranno perse nel processo di creazione del nuovo codice.

Per scopi di ricerca, gli scienziati hanno prodotto ceppi di batteri che contenevano sia il genoma di Caulobacter naturale che segmenti del nuovo genoma artificiale. Disattivando alcuni geni naturali in questi batteri, i ricercatori sono stati in grado di testare le funzioni dei geni artificiali. Hanno testato ciascuno dei geni artificiali in un processo a più fasi.

In questi esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che solo circa 580 dei 680 geni artificiali erano funzionali. “Con la conoscenza che abbiamo acquisito, sarà tuttavia possibile per noi migliorare il nostro algoritmo e sviluppare una versione 3.0 del genoma completamente funzionale“, afferma Beat Christen.

Enorme potenziale per la biotecnologia

“Anche se la versione attuale del genoma non è ancora perfetta, il nostro lavoro mostra tuttavia che i sistemi biologici sono costruiti in modo così semplice che in futuro saremo in grado di elaborare specifiche  progettazione al computer in base ai nostri obiettivi “, afferma Matthias Christen. “E ciò può essere realizzato in modo relativamente semplice”, sottolinea Beat Christen: ” Mentre l’approccio di Craig Venter, ha impiegato 10 anni per essere realizzato, il nostro piccolo gruppo ha raggiunto la nostra nuova tecnologia nel giro di un anno con costi di produzione di 120.000 franchi svizzeri”.

“Riteniamo che presto sarà anche possibile produrre cellule batteriche funzionali con tale genoma“, afferma Beat Christen. Un tale sviluppo avrebbe un grande potenziale. Tra le possibili applicazioni future vi sono microrganismi sintetici che potrebbero essere utilizzati in biotecnologia per la produzione di molecole o vitamine complesse farmacologicamente attive, ad esempio. La tecnologia può essere impiegata universalmente per tutti i microrganismi, non solo per Caulobacter . Un’altra possibilità potrebbe essere la produzione di vaccini per il DNA.

“Per quanto promettenti possano essere i risultati della ricerca e le possibili applicazioni, richiedono una profonda discussione nella società sugli scopi per cui questa tecnologia può essere utilizzata e, al tempo stesso, su come prevenire gli abusi”, afferma Beat Christen. Non è ancora chiaro quando verrà prodotto il primo batterio con un genoma artificiale, ma ora è chiaro che può e sarà sviluppato. “Dobbiamo impiegare il tempo che abbiamo per intense discussioni tra gli scienziati, e anche nella società nel suo complesso. Siamo pronti a contribuire a questa discussione, con tutto il know-how che possediamo”.

Fonte, PNAS