Vicini alle vere cellule viventi! La tecnologia delle cellule sintetiche può dare nuovo valore alla vita?

Prodotto da: Science Popularization China

Autore: Denovo Team

Produttore: China Science Expo

Nota dell'editore: per decifrare gli ultimi misteri delle scienze della vita, il progetto tecnologico d'avanguardia cinese ha lanciato la serie di articoli "Nuove conoscenze della vita", selezionando i risultati più all'avanguardia nel campo delle scienze della vita e interpretandoli in un linguaggio semplice il più presto possibile. Addentriamoci nel mondo della vita ed esploriamo infinite possibilità.

Il premio Nobel e famoso fisico Richard Feynman una volta disse: "Ciò che non posso creare, non lo capisco", il che significa che se non posso creare, non posso capire.

Questa visione si applica anche alla nostra comprensione della vita.

Solo quando saremo in grado di creare la vita potremo comprenderne veramente l'essenza, che è ciò che la ricerca nel campo delle scienze della vita ha sempre voluto fare.

Quindi, come creiamo la vita? Una regola fondamentale nel campo delle scienze della vita è il "dogma centrale", secondo cui l'informazione genetica può replicarsi dal DNA e può anche essere trasferita all'RNA e quindi alle proteine, completando la trascrizione e la traduzione dell'informazione genetica. Questo processo è il processo di creazione della vita. Pertanto, in teoria, finché saremo in grado di creare il DNA, sarà possibile creare artificialmente la vita e acquisire una comprensione più profonda dell'essenza della vita.

La storia dello sviluppo della "vita artificiale" umana

Con vita artificiale si intende l'estrazione di geni da altre forme di vita, la creazione di nuovi cromosomi artificiali e il loro successivo trasferimento in cellule da cui è stato rimosso il materiale genetico. In definitiva, questi cromosomi artificiali controllano la cellula e la sviluppano in una nuova forma di vita.

Sebbene la storia dello sviluppo della vita artificiale sia relativamente breve, è ricca di innovazioni e progressi. Nel 1953, Watson e Crick proposero il famoso modello della struttura a doppia elica del DNA, che inaugurò l'era della biologia molecolare. Negli anni '70, Herbert Boyer e Stanley Cohen ottennero rispettivamente il taglio del DNA a doppio filamento mediante endonucleasi di restrizione e il trasferimento del DNA plasmidico nell'Escherichia coli. Queste due conquiste innovative non hanno segnato solo la nascita dell'ingegneria genetica. Successivamente, la tecnologia di sequenziamento del DNA inventata da Sanger ha consentito una "lettura" accurata delle sequenze di DNA. Paul Berg e Walter Gilbert hanno poi promosso lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante elaborando tecniche di clonazione molecolare.

Queste tecnologie rivoluzionarie hanno gettato basi importanti per la ricerca sulla vita artificiale.

Tra queste, il risultato raggiunto dal team del biologo americano Craig Venter nel maggio 2010 ha segnato una svolta importante nel campo della vita artificiale. Hanno sintetizzato chimicamente un intero genoma in laboratorio e poi hanno impiantato questo genoma sintetico in una cellula vuota. Questa cellula inizia quindi a replicarsi e a proliferare secondo le istruzioni genetiche impiantate, formando infine nuove cellule.

Sebbene alcuni scienziati nutrano delle riserve sul fatto che il lavoro di Venter si basi solo su una cellula residua naturale preesistente e non crei una vita reale, il suo esperimento dimostra comunque che un genoma artificiale può alimentare le cellule, il che fornisce importanti spunti per il futuro della vera vita artificiale.

Lo scienziato pazzo della vita artificiale: Craig Venter

Quando si parla di vita artificiale, non si può non menzionare il leader e scienziato pazzo in questo campo: Craig Venter. È un rinomato biologo e imprenditore statunitense, noto per i suoi importanti successi nella comunità scientifica. Tra i suoi successi rientrano "la sfida che ha affrontato da solo scienziati di sei Paesi per completare il Progetto Genoma Umano" e "la creazione di nuovi organismi", entrambe innovazioni che hanno sconvolto la comunità scientifica di tutto il mondo.

Craig Venter

(Fonte dell'immagine: sito web ufficiale del Craig Venter Institute)

Negli anni Novanta, scienziati di spicco provenienti da sei paesi, tra cui Stati Uniti, Gran Bretagna, Francia, Germania, Giappone e Cina, parteciparono congiuntamente al Progetto Genoma Umano, che avrebbe dovuto costare 3 miliardi di dollari per completare il sequenziamento del genoma umano. Tuttavia, una volta impiegata metà del tempo e del denaro, era stato completato solo il 3% del lavoro di sequenziamento.

Nello stesso periodo, Craig Venter fondò Celera Genomics, un'organizzazione privata di ricerca genetica che sviluppò nuove tecnologie di sequenziamento come "shotgun" e si mise rapidamente al passo con i progressi del team collaborativo multinazionale. Successivamente, Craig Venter collaborò con scienziati di sei Paesi e completò con successo la bozza del genoma umano all'inizio del 2001.

Dopo il completamento del Progetto Genoma Umano, Craig Venter ebbe presto un nuovo ideale, che potrebbe rappresentare l'obiettivo finale delle scienze della vita: creare nuove forme di vita. Craig Vent progetta di utilizzare piccoli frammenti di DNA per sintetizzare un nuovo genoma e trasferirlo in batteri il cui genoma originale è stato rimosso, per osservare se i minuscoli batteri riescono a metabolizzare e riprodursi.

Dopo oltre dieci anni di sforzi incessanti e una spesa di oltre 40 milioni di dollari USA, il team di ricerca di Craig Vent ha finalmente creato un nuovo batterio nel 2010. Craig Venter ritiene che "questa sia la prima specie sulla Terra i cui genitori sono computer in grado di replicarsi".

Attualmente, Craig Vent ha avviato una serie di nuovi studi. Ha trasformato il suo yacht in una nave da ricerca e ha guidato i membri del suo team in una spedizione nel Mar dei Sargassi, vicino alle Isole Bermuda, nella speranza di utilizzare materiali locali per mappare il genoma di tutti i microrganismi presenti nell'ecosistema di quella zona marina. L'obiettivo finale di Craig Venter è utilizzare i geni presenti nell'oceano per progettare forme di vita completamente nuove. Una forma di vita del genere avrebbe la capacità di catturare l'anidride carbonica, limitare l'effetto serra, ripulire le scorie nucleari e produrre grandi quantità di atomi di idrogeno. Lo sviluppo di questa nuova forma di vita ha il potenziale di cambiare lo stato dell'economia energetica globale.

Il percorso di ricerca di Craig Vent ha spaziato dal sequenziamento del genoma umano alla sintesi artificiale di batteri, fino alla scoperta di geni benefici nell'oceano per progettare nuove forme di vita. Il filo conduttore è sempre lo stesso: dai geni alla vita. Che si tratti di comprendere i geni, sintetizzarli o trovarne di nuovi, tutta la ricerca di Craig Vent mira a elaborare un progetto per creare la vita e, in ultima analisi, a realizzare la missione della vita artificiale, rispondendo all'importante domanda "la scienza può davvero creare la vita".

Una svolta nella sintesi dei cromosomi artificiali del lievito

I batteri e i lieviti sono tipici rappresentanti rispettivamente dei procarioti e degli eucarioti. Essere in grado di sintetizzare i genomi di questi due organismi porrà un'importante base teorica per la vita sintetica e arricchirà la riserva di conoscenze sulla vita artificiale. Ci sono voluti più di dieci anni agli scienziati per sintetizzare il genoma dei batteri, che sono procarioti, e creare nuova vita. Essendo un organismo eucariotico, il lievito ha un genoma con 16 cromosomi, per cui si può immaginare la complessità e la difficoltà della sua sintesi.

A tal fine è stato lanciato a livello internazionale il progetto Yeast Genome Synthesis (Sc2.0). Si tratta del primo tentativo da parte dell'uomo di progettare e sintetizzare da zero il genoma di organismi eucarioti, con l'obiettivo di riprogettare e sintetizzare tutti i 16 cromosomi di Saccharomyces cerevisiae. Il progetto è stato lanciato nel 2011 e coinvolge oltre 200 scienziati provenienti da Cina, Stati Uniti, Regno Unito, Singapore, Australia e altri paesi.

I ricercatori hanno dovuto affrontare numerose sfide nel sintetizzare da zero la sequenza del genoma del lievito. Poiché il genoma del lievito contiene un gran numero di sequenze ripetitive, hanno rimosso i trasposoni e gli elementi ripetitivi e hanno ricodificato i codoni di stop. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno eliminato, inserito e sostituito basi nella sequenza genetica per garantire che il ceppo sintetico avesse lo stesso fenotipo del ceppo naturale, garantendo al contempo la stabilità del genoma.

Il modello della struttura del genoma del lievito mostrato sulla copertina di Science nel 2017, dove l'oro rappresenta i cromosomi completamente sintetizzati e il bianco rappresenta i cromosomi naturali

(Fonte dell'immagine: sito ufficiale di Science)

Sulla base dei principi e degli standard sopra menzionati, nel 2014, un team di ricerca guidato dal professor Jef Boeke della New York University ha creato con successo il primo cromosoma artificiale di lievito, il più piccolo cromosoma 3. Questo risultato ha aperto il precedente per la sintesi del genoma eucariotico.

Entro il 2017, il team Sc2.0 aveva completato la sintesi artificiale di 5 dei 16 cromosomi del genoma del lievito, 4 dei quali erano stati completati da scienziati cinesi. Nello specifico, il team guidato dall'accademico Yuan Yingjin dell'Università di Tianjin è stato responsabile della sintesi dei cromosomi 5 e 10; il team guidato dal ricercatore Dai Junbiao dell'Università di Tsinghua è stato responsabile della progettazione e della sintesi del cromosoma 12; e il team guidato dall'accademico Yang Huanming del BGI è stato responsabile della progettazione de novo e della sintesi completa del cromosoma 2 del lievito.

Entro il 2023 il progetto Sc2.0 raggiungerà una nuova pietra miliare. Il team guidato dal ricercatore Yue Shen del BGI completerà la progettazione de novo e la sintesi totale dei cromosomi 7 e 13 del lievito, nonché la costruzione di un nuovo cromosoma tRNA. Ciò segna il completamento con successo della sintesi di tutti i 16 cromosomi del lievito. Inoltre, il team è riuscito a costruire un ceppo di lievito contenente il 50% di DNA sintetico. Questo ceppo di lievito non solo è in grado di proliferare attivamente, ma presenta anche una morfologia, lunghezza e forma cellulare normali.

Nel 2023, un articolo pubblicato su Cell descriveva il processo di integrazione dei cromosomi del lievito: le cellule di lievito contenenti diversi cromosomi sintetici venivano ibridate e nella prole venivano trovati individui portatori di due cromosomi sintetici. Dopo un lungo processo di ibridazione, gli scienziati hanno gradualmente integrato nella stessa cellula tutti i cromosomi che avevano precedentemente sintetizzato (6 cromosomi completi e 1 braccio cromosomico).

(Fonte dell'immagine: Riferimento [5])

Scienziati cinesi che partecipano al progetto di sintesi del genoma del lievito, da sinistra a destra: Li Bingzhi, Dai Junbiao, Yang Huanming, Yuan Yingjin, Shen Yue

(Fonte foto: People's Daily)

Cellule artificiali ulteriormente potenziate: vicine alle cellule viventi reali

I batteri e i lieviti sintetizzati artificialmente risolvono principalmente il problema della sintesi del genoma, ma le cellule viventi continuano a fare affidamento principalmente sulle proteine ​​per svolgere le loro funzioni. Il 23 aprile 2024, gli scienziati americani hanno pubblicato i risultati di una ricerca più recente sulla rivista Nature Chemistry. Hanno creato cellule artificiali simili a quelle umane manipolando il DNA e le proteine. Questo risultato è di grande importanza per i campi della medicina rigenerativa, della somministrazione di farmaci e degli strumenti diagnostici.

L'impalcatura cellulare è un'importante struttura di impalcatura all'interno della cellula, composta da una serie di polimeri dinamici. Svolge un ruolo importante in processi chiave come la divisione cellulare, il movimento e la morfogenesi. Senza l'impalcatura cellulare, la struttura e la funzione della cellula saranno compromesse. I citoscaffold delle cellule naturali hanno strutture complesse e sono riconfigurabili. Possono assemblarsi in luoghi diversi e adattare dinamicamente le proprie strutture e proprietà meccaniche. I peptidi sono un materiale promettente per la costruzione di citoscheletri artificiali. Attualmente, i ricercatori hanno studiato approfonditamente la progettazione razionale dei peptidi per consentire loro di autoassemblarsi in varie strutture. Tuttavia, la realizzazione di sistemi basati su peptidi in ambienti di confinamento che imitano le cellule è ancora limitata.

I componenti principali delle cellule e dei tessuti sono le proteine, che svolgono un ruolo indispensabile nella formazione delle impalcature cellulari. Normalmente, il DNA non è presente nelle impalcature cellulari, ma i ricercatori di questo studio hanno riprogrammato la sequenza del DNA per trasformarla in un "materiale da costruzione" che, combinato con elementi proteici (peptidi), forma un nuovo tipo di impalcatura cellulare in grado di cambiare forma e rispondere all'ambiente circostante. Questa è una nuova idea per le cellule artificiali.

In realtà, la riprogrammazione del DNA non è la prima volta. In uno studio pubblicato su Nature Communications nel 2023, i ricercatori hanno dimostrato che cinque oligonucleotidi (DNA) potrebbero essere ricotti in nanotubi, o fibre, con spessore e lunghezza regolabili che coprono quattro ordini di grandezza. Queste strutture sono integrate in vescicole simili a cellule e sono avvolte attorno alla parte esterna delle vescicole, fungendo da impalcature cellulari. Le strategie di riprogrammazione del DNA possono essere utilizzate per la progettazione bottom-up di cellule e tessuti sintetici, nonché per la generazione di dispositivi materiali intelligenti per la medicina.

Riprogrammando il DNA, gli scienziati possono creare nuove cellule con funzioni specifiche e persino perfezionare il modo in cui le cellule rispondono allo stress esterno. Sebbene le cellule viventi siano più complesse delle cellule sintetiche, sono anche più sensibili agli ambienti difficili, come le alte temperature, mentre le cellule sintetiche sono stabili anche a 50 °C, il che apre la possibilità di produrre cellule in ambienti non adatti alla vita umana.

Le cellule sintetiche possono essere caricate con quasi tutte le molecole di farmaco. Aggiungendo minuscole particelle magnetiche e utilizzando magneti esterni al corpo per una guida precisa, è possibile indirizzare il trattamento su piccole aree con dosi elevate, senza influire su altre parti del corpo. Ad esempio, nella cura del cancro, caricare i farmaci antitumorali con cellule sintetiche può migliorarne l'efficacia e ridurre significativamente i potenziali danni alle cellule in altre parti del corpo.

Il team di ricerca ha affermato che la ricerca aiuterà gli esseri umani a comprendere la vita. La tecnologia delle cellule sintetiche non solo consente agli scienziati di "replicare" le funzioni della natura, ma ha anche il potenziale per apportare grandi cambiamenti in campi come la biotecnologia e la medicina rigenerativa.

Costruzione di impalcature cellulari sintetiche utilizzando la nanotecnologia del peptide-DNA

(Fonte dell'immagine: Riferimento [6])

Conclusione

Lo studio della vita artificiale è un modo importante per gli esseri umani di comprendere la vita. Attualmente, gli scienziati sono riusciti a sintetizzare artificialmente batteri, lieviti semisintetici e cellule artificiali che funzionano in modo più simile alle cellule viventi. Ciò non solo promuove lo sviluppo del campo delle scienze della vita, ma fornisce anche importanti contributi allo sviluppo della medicina rigenerativa, creando continuamente nuova vita complessa.

Forse in un futuro prossimo gli esseri umani saranno in grado di sintetizzare artificialmente cellule di tessuti di organi sani per sostituire i tessuti danneggiati o malati, prolungando così la durata della vita in buona salute. Ciò non solo riflette il progresso della scienza e della tecnologia, ma segna anche l'ulteriore approfondimento della nostra comprensione della natura della vita.

Riferimenti:

1.Gibson et al. Sintesi chimica completa, assemblaggio e clonazione del genoma di Mycoplasma genitalium. Scienza, 2008, 319(5867): 1215-1220.

2.Gibson et al. Creazione di una cellula batterica controllata da un genoma sintetizzato chimicamente. Scienza, 2010, 329(5987): 52-56.

3.Xie et al. Cromosoma V progettato “perfetto” e comportamento di un derivato ad anello. Scienza, 2017, 355, eaaf4704

4.Schindler et al. Progettazione, costruzione e caratterizzazione funzionale di un neocromosoma tRNA nel lievito. Cellula, 2023. DOI: 10.1016/j.cell.2023.10.015

5.Zhao et al. Il debug e il consolidamento di più cromosomi sintetici rivelano interazioni genetiche combinatorie. Cellula, 2023, 186: 5220–5236

6.Daly et al. I citoscheletri di DNA-peptide progettati regolano la funzione delle cellule sintetiche. Nature Chemistry, 2024.