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Prima vita con DNA “alieno” creato in laboratorio

Prima vita con DNA “alieno” creato in laboratorio

Prima vita con DNA alieno creato in laboratorio

Prima vita con DNA “alieno” creato in laboratorio

Un batterio ingegnerizzato è in grado di copiare DNA contenente codice genetico innaturale

Per miliardi di anni, la storia della vita è stata scritta con solo quattro lettere – A, T, C e G, le etichette date alle subunità del DNA contenute in tutti gli organismi. Quell’alfabeto è cresciuto più a lungo, annunciano i ricercatori, con la creazione di una cellula vivente che ha due blocchi di DNA “estranei” nel suo genoma.

Salutato come un passo avanti da altri scienziati, il lavoro è un passo verso la sintesi di cellule in grado di sfornare farmaci e altre molecole utili. Aumenta anche la possibilità che le cellule possano essere un giorno progettate senza nessuna delle quattro basi del DNA utilizzate da tutti gli organismi sulla Terra.

“Quello che abbiamo adesso è una cellula vivente che memorizza letteralmente l’aumento delle informazioni genetiche”, dice Floyd Romesberg, un biologo chimico dello Scripps Research Institute di La Jolla, in California, che ha guidato lo sforzo di 15 anni. La loro ricerca appare online oggi in Natura.

Ogni filamento della doppia elica del DNA ha una spina dorsale di molecole di zucchero e, in allegato, subunità chimiche note come basi. Esistono quattro basi diverse: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Queste lettere rappresentano il codice per i blocchi di amminoacidi che costituiscono le proteine. Le basi legano insieme i due fili del DNA, con un A che si lega sempre ad una T sul filo opposto (e viceversa), e C e G fanno altrettanto.

DNA e i dubbi degli scienziati

 

Gli scienziati hanno in primo luogo messo in dubbio che la vita potesse immagazzinare informazioni usando altri gruppi chimici negli anni ’60. Ma non è stato fino al 1989 che Steven Benner, all’Istituto federale svizzero di tecnologia di Zurigo, e il suo team hanno convinto forme modificate di citosina e guanina in molecole di DNA. Nelle reazioni in provetta, i fili fatti di queste “lettere divertenti”, come li chiama Benner, si copiavano e codificavano RNA e proteine.

Le basi progettate dalla squadra di Romesberg sono più aliene, con una scarsa somiglianza chimica con le quattro naturali, afferma Benner. In un documento del 2008 e in esperimenti di follow-up, il gruppo ha segnalato gli sforzi per accoppiare le sostanze chimiche insieme da un elenco di 60 candidati e analizzare le 3.600 combinazioni risultanti. Hanno identificato una coppia di basi, nota come d5SICS e dNaM, che sembrava promettente. In particolare, le molecole dovevano essere compatibili con il meccanismo enzimatico che copia e traduce il DNA.

“All’epoca non pensavamo nemmeno di poter entrare in un organismo con questa coppia di basi”, afferma Denis Malyshev, un ex studente laureato nel laboratorio di Romesberg che è il primo autore del nuovo lavoro. Lavorando con le reazioni in provetta, gli scienziati sono riusciti a copiare la loro coppia di basi innaturali e ad essere trascritti in RNA, che richiedeva che le basi venissero riconosciute dagli enzimi che si erano evoluti per usare A, T, C e G.

La prima sfida per creare questa vita aliena fu quella di far accettare alle cellule le basi estranee necessarie per mantenere la molecola nel DNA attraverso ripetuti cicli di divisione cellulare, durante i quali il DNA viene copiato. Il team ha ingegnerizzato il batterio Escherichia coli per esprimere un gene da una diatomea – un’alga monocellulare – che codifica una proteina che ha permesso alle molecole di passare attraverso la membrana del batterio.

Gli scienziati hanno quindi creato un breve ciclo di DNA, chiamato plasmide, contenente una singola coppia di basi estranee e inserito l’intera cosa in cellule di E. coli . Con la proteina diatomea che fornisce una dieta di nucleotidi estranei, il plasmide è stato copiato e trasmesso alle cellule di E. coli in divisione per quasi una settimana. Quando la fornitura di nucleotidi estranei si esaurì, i batteri sostituirono le basi straniere con quelle naturali.

Assorbimenti di basi di DNA

Malyshev vede la capacità di controllare l’assorbimento di basi di DNA estranee come misura di sicurezza che impedirebbe la sopravvivenza di cellule aliene al di fuori del laboratorio, nel caso in cui fuggissero. Ma altri ricercatori, tra cui Benner, stanno cercando di progettare cellule che possano creare basi straniere da zero, ovviando alla necessità di una materia prima.

Il gruppo di Romesberg sta lavorando per ottenere DNA estraneo per codificare proteine ​​che contengono aminoacidi diversi dai 20 che insieme costituiscono quasi tutte le proteine ​​naturali. Gli aminoacidi sono codificati da “codoni” di tre lettere di DNA a testa, quindi l’aggiunta di due “lettere” di DNA estranee espanderebbe enormemente la capacità di una cellula di codificare nuovi amminoacidi. “Se leggi un libro che è stato scritto con quattro lettere, non sarai in grado di raccontare molte storie interessanti”, dice Romesberg. “Se ti vengono date più lettere, puoi inventare nuove parole, puoi trovare nuovi modi per usare quelle parole e puoi probabilmente raccontare storie più interessanti.”

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I potenziali usi della tecnologia includono l’incorporazione di un amminoacido tossico in una proteina per garantire che uccida solo le cellule tumorali e lo sviluppo di amminoacidi luminosi che potrebbero aiutare gli scienziati a monitorare le reazioni biologiche al microscopio. Il team di Romesberg ha fondato una società chiamata Synthorx a San Diego, in California, per commercializzare il lavoro.

Ross Thyer, un biologo sintetico dell’Università del Texas ad Austin, co-autore di un articolo di News and Views, dice che il lavoro è

“un grande passo in avanti in quello che possiamo fare”. Dovrebbe essere possibile ottenere il DNA estraneo per codificare nuovi amminoacidi

Ross Thyer

“Molti nella comunità più ampia pensavano che il risultato di Floyd sarebbe impossibile”, dice Benner, perché le reazioni chimiche che coinvolgono il DNA, come la replicazione, devono essere squisitamente sensibili per evitare la mutazione.

L’alieno E. coli contiene solo una coppia di basi di DNA estraneo su milioni. Ma Benner non vede alcuna ragione per cui una cellula completamente aliena non sia possibile. “Non penso ci sia alcun limite”, dice. “Se torni indietro e riesegui l’evoluzione per quattro miliardi di anni, potresti inventare un sistema genetico diverso”.

Ma creare un organismo interamente sintetico sarebbe una grande sfida. “Molte volte le persone diranno che farai diventare un organismo completamente fuori dal tuo DNA innaturale”, dice Romesberg. “Questo non succederà, perché ci sono troppe cose che riconoscono il DNA. È troppo integrato in ogni aspetto della vita di una cellula. “

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