Il primo genoma batterico completamente generato al computer

Tutte le sequenze genomiche conosciute degli organismi di tutto il mondo sono archiviate in un database del Centro americano per la biotecnologia. Da oggi c'è una voce in più, quella relativa a Caulobacter ethensis-2.0. Si tratta del primo genoma al mondo di un organismo vivente completamente generato al computer, creato dagli scienziati dell'ETH di Zurigo. Tuttavia, è necessario sottolineare che C. ethensis-2.0Finora esiste solo il genoma - in termini reali, sotto forma di cromosoma, cioè una molecola di DNA molto grande. Non esiste ancora un organismo corrispondente.

C. ethensis-2.0è basata sul genoma di un batterio d'acqua dolce ben studiato e innocuo: il batterio Caulobacter crescentus è presente naturalmente nei corpi idrici di tutto il mondo, compreso il lago di Zurigo. Non causa alcuna malattia. ? anche C. crescentusè un organismo modello spesso utilizzato nei laboratori di ricerca dagli scienziati per studiare la vita dei batteri. Il genoma di questo batterio comprende 4000 geni. Anni fa, gli scienziati hanno dimostrato che solo circa 680 di questi geni essenziali sono assolutamente necessari. I batteri con questo genoma minimo sono in grado di sopravvivere in laboratorio.

Razionalizzazione del processo produttivo

Beat Christen, professore di biologia sperimentale dei sistemi presso l'ETH di Zurigo, e suo fratello Matthias Christen, chimico presso l'ETH di Zurigo, hanno preso questo genoma minimo da C. crescentus come punto di partenza. Si sono posti l'obiettivo di sintetizzare chimicamente questo cromosoma coerente partendo da zero. Finora, un compito del genere era associato a uno sforzo immenso: Secondo i media, 20 scienziati hanno lavorato per dieci anni al genoma batterico sintetizzato chimicamente presentato dal pioniere americano della genetica Craig Venter undici anni fa. Il progetto sarebbe costato 40 milioni di dollari.

Mentre Venter ha copiato il suo genoma batterico 1:1, i ricercatori dell'ETH hanno deliberatamente modificato il loro genoma in modo significativo con l'aiuto di un algoritmo informatico, da un lato per renderlo molto più facile da produrre, dall'altro per poter perseguire questioni fondamentali della biologia.

Per produrre una molecola di DNA grande come un genoma batterico, gli scienziati devono procedere per gradi. Nel caso del Caulobacter-genoma Gli scienziati dell'ETH hanno sintetizzato 236 frammenti di genoma, che hanno poi assemblato. "La sintesi di questi frammenti non è sempre facile", spiega Matthias Christen. "Questo perché le molecole di DNA non solo hanno la capacità di attaccarsi ad altre molecole di DNA, ma possono anche formare anelli e grovigli con se stesse, a seconda della sequenza dei blocchi di costruzione, il che può rendere la produzione difficile o impossibile".

Sequenza semplificata del DNA

Per sintetizzare i frammenti di genoma nel modo più semplice possibile ed essere poi in grado di assemblare i frammenti nel modo più efficiente possibile, gli scienziati hanno semplificato la sequenza del genoma senza modificare le informazioni genetiche effettive (a livello di proteine). La semplificazione del genoma è possibile perché la biologia riconosce le ridondanze nella memorizzazione delle informazioni genetiche. Ad esempio, per molti elementi costitutivi delle proteine (aminoacidi) esistono due, quattro o addirittura più possibilità genetiche per definire le informazioni relative all'elemento costitutivo della proteina.

L'algoritmo sviluppato dagli scienziati dell'ETH sfrutta al meglio questo margine di manovra. I collaboratori lo hanno utilizzato per calcolare la sequenza di DNA ideale per la sintesi e l'assemblaggio, che hanno poi utilizzato per il loro lavoro.

Di conseguenza, gli scienziati hanno apportato molte piccole modifiche alla sequenza dei blocchi di DNA del genoma minimo, che tuttavia sono considerevoli nel loro insieme: Più di un sesto di tutti gli 800.000 blocchi di DNA sono presenti nel genoma artificiale. rispetto al genoma minimo "naturale". "Nel nostro genoma, la sequenza dei blocchi di DNA è nuova e non più riconoscibile rispetto alla sequenza originale, ma la funzione biologica a livello di proteine rimane la stessa", afferma Beat Christen.

Cartina di tornasole per la genetica

Il genoma riscritto è anche biologicamente interessante. "Il nostro metodo è una cartina di tornasole per verificare se noi biologi abbiamo compreso correttamente la genetica e ci permette di scoprire eventuali lacune nelle nostre conoscenze", spiega Beat Christen. Questo perché il genoma trascritto contiene inevitabilmente solo le informazioni che i ricercatori hanno compreso. Qualsiasi informazione aggiuntiva "nascosta" nella sequenza del DNA e non ancora compresa dagli scienziati sarebbe andata persa con la ricodifica.

A scopo di test, gli scienziati hanno prodotto dei ceppi batterici in grado di produrre sia il Caulobacter-e parti del nuovo genoma artificiale. Rendendo non funzionali singoli geni naturali di questi batteri, i ricercatori hanno potuto testare la funzione dei geni artificiali. Hanno testato ciascuno dei geni artificiali in diverse fasi.

In questi esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che solo circa 580 dei 680 geni artificiali sono funzionali. "Con le conoscenze acquisite, tuttavia, saremo in grado di migliorare il nostro algoritmo e sviluppare una versione 3.0 del genoma completamente funzionale", afferma Beat Christen.

Grande potenziale nella biotecnologia

"Anche se la versione attuale del genoma non è ancora perfetta, il nostro lavoro dimostra che i sistemi biologici sono così semplici che in futuro potremo definirli al computer in base ai nostri scopi e poi costruirli", afferma Matthias Christen. E in modo altrettanto semplice, come sottolinea Beat Christen: "Ciò che ha richiesto dieci anni con la tecnologia di Craig Venter, il nostro piccolo gruppo l'ha realizzato in un anno con costi di produzione di 120.000 franchi svizzeri".

"Crediamo che presto sarà possibile produrre cellule batteriche funzionali a partire da un genoma di questo tipo", afferma Beat Christen. Questo ha un grande potenziale. Le possibili applicazioni future includono microrganismi sintetici che potrebbero essere utilizzati in biotecnologia, ad esempio per produrre molecole complesse farmaceuticamente attive o vitamine. La tecnologia è applicabile universalmente a tutti i microrganismi, non solo Caulobacter. ? ipotizzabile anche la produzione di vaccini a base di DNA.

"Per quanto promettenti siano i risultati della ricerca e le potenziali applicazioni, essi richiedono una discussione sociale di ampio respiro sugli scopi per cui questa tecnologia può essere utilizzata e, di conseguenza, su come si possano prevenire gli abusi", afferma Beat Christen. Non è ancora chiaro quando sarà disponibile il primo batterio con un genoma artificiale, ma è ormai chiaro che può essere sviluppato e lo sarà. "Dobbiamo sfruttare questo momento per discutere intensamente con gli scienziati, ma anche con la società nel suo complesso. Siamo pronti a dare un contributo intenso con tutte le nostre conoscenze".