Il DNA sintetico potrebbe sembrare roba da fantascienza, ma sta diventando una realtà sempre più concreta. I ricercatori hanno creato una cellula di lievito con un genoma che è oltre il 50% sintetico, compreso il primo cromosoma completamente sintetico al mondo.
In precedenza, gli scienziati avevano prodotto genomi sintetici batterici e virali, ma il passo successivo era quello eucariotico, ovvero una cellula in cui il genoma è contenuto interamente all’interno di un nucleo delimitato da una membrana. Il lievito era forse la scelta naturale per questo, poiché il lievito da forno (Saccharomyces cerevisiae) ha un genoma compatto di soli 16 cromosomi ed è in grado di unire il DNA in modo innato.
Tuttavia, i ricercatori coinvolti nel Progetto del Genoma Sintetico del Lievito (Sc2.0) volevano fare qualcosa di leggermente diverso dalla semplice sintesi del DNA, dando al lievito un genoma “designer”. “Abbiamo deciso che era importante produrre qualcosa che fosse molto modificato rispetto al design della natura”, ha detto l’autore principale e leader di Sc2.0 Jef Boeke in una dichiarazione. “Il nostro obiettivo principale era costruire un lievito che potesse insegnarci nuove biologie”.
Creazione di un genoma sinteticoIl team ha prima rimosso il cosiddetto “DNA spazzatura” dal genoma e lo ha sostituito con nuovi frammenti di DNA per aiutarli a distinguere tra geni sintetici e nativi, dopodiché l’ordine dei geni è stato mescolato. C’era anche un’altra rimozione chiave da fare: i geni tRNA.
Mentre le proteine che codificano svolgono un ruolo critico all’interno delle cellule, i geni tRNA rendono anche il genoma del lievito instabile. In un passo rivoluzionario, i ricercatori li hanno rimossi e li hanno spostati in un “neocromosoma” completamente nuovo, basato interamente sui geni t-RNA. “Il neocromosoma tRNA è il primo cromosoma sintetico completamente de novo al mondo”, ha detto il co-autore Patrick Yizhi Cai. “Niente di simile esiste in natura”.
Accanto al neocromosoma, i ricercatori hanno assemblato ciascuno dei cromosomi in modo indipendente, prima di creare 16 ceppi di lievito parzialmente sintetici, ognuno con 15 cromosomi naturali e uno sintetico.
Unire i pezziPoi è arrivata la parte difficile: ottenere tutti i cromosomi sintetici in una singola cellula di lievito. Ciò ha comportato una combinazione di una tecnica genetica classica, l’incrocio, e alcuni nuovi metodi. L’incrocio era lento e sebbene il lievito risultante avesse un genoma più del 30% sintetico, i ricercatori puntavano a di più.
Dopo aver utilizzato un nuovo metodo chiamato sostituzione del cromosoma e una tecnica simile a CRISPR/Cas9 per correggere difetti genetici, hanno ottenuto una singola cellula di lievito con più del 50% di DNA sintetico. Manipolare il suo genoma avrebbe potuto far crescere il lievito in modo anomalo, ma grazie a una manipolazione attenta, è sopravvissuto e si è replicato anche in modo simile al lievito selvatico.
“Il team ha ora riscritto il sistema operativo del lievito in fermentazione, aprendo una nuova era nell’ingegneria biologica, passando dal modificare un pugno di geni alla progettazione e costruzione de novo di interi genomi”, ha detto Cai.
Prossimi passiIl lievito è da lungo tempo un elemento fondamentale nella produzione di cibo e bevande, è la ragione per cui abbiamo pane e birra di qualità, tutti diciamo “Grazie, lievito”, e nella scienza, per la produzione chimica e come organismo modello. Con il DNA sintetico, potremmo compiere grandi progressi in queste aree, come ha spiegato Ben Blount, uno dei principali scienziati, in una dichiarazione.
“I cromosomi sintetici sono risultati di successo tecnico di per sé, ma apriranno anche una vasta gamma di nuove capacità per lo studio e l’applicazione della biologia. Questo potrebbe spaziare dalla creazione di nuovi ceppi microbici per una produzione biologica più sostenibile, fino ad aiutarci a comprendere e combattere le malattie”.
Il prossimo passo sarà ottenere tutti e 16 i cromosomi sintetici in una singola cellula di lievito. Non è un’impresa facile, ma i ricercatori sono fiduciosi. “Ora siamo a un passo dal traguardo di avere tutti e 16 i cromosomi in una singola cellula”, ha detto Boeke. “Mi piace chiamare questo la fine dell’inizio, non l’inizio della fine, perché è lì che saremo davvero in grado di iniziare a mescolare le carte e produrre lievito che può fare cose che non abbiamo mai visto prima”.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Cell.
