La biologia sintetica sta già riscrivendo la vita.

Alla fine del 2023, gli scienziati ha rivelato cellule di lievito con metà del loro progetto genetico sostituito da DNA artificiale. È stato un momento di “spartiacque” in un Un progetto lungo 18 anni per progettare versioni alternative di ogni cromosoma del lievito. Nonostante avessero sette cromosomi sintetici e mezzo, le cellule si riproducevano e prosperavano.

Un nuovo studio ci fa salire la scala evolutiva fino alle piante di design.

Per un progetto chiamato SynMoss, un team cinese ha ridisegnato parte di un singolo cromosoma in un tipo di muschio. La pianta parzialmente sintetica risultante cresceva normalmente e produceva spore, rendendola uno dei primi esseri viventi con più cellule a portare un cromosoma parzialmente artificiale.

I cambiamenti personalizzati nei cromosomi della pianta sono relativamente piccoli rispetto al lievito sintetico. Ma è un passo avanti verso la riprogettazione completa dei genomi negli organismi di livello superiore.

In un'intervista con Scienze, il biologo sintetico Dr. Tom Ellis dell'Imperial College di Londra ha affermato che si tratta di un "campanello d'allarme per le persone che pensano che i genomi sintetici siano solo per i microbi".

Migliorare la vita

Gli sforzi per riscrivere la vita non sono solo volti a soddisfare la curiosità scientifica.

Armeggiare con il DNA può aiutarci a decifrare la storia evolutiva e a individuare i tratti critici del DNA che mantengono stabili i cromosomi o causano malattie. Gli esperimenti potrebbero anche aiutarci a comprendere meglio la “materia oscura” del DNA. Sparse nel genoma, sequenze misteriose che non codificano per proteine ​​hanno a lungo sconcertato gli scienziati: sono utili o solo residui dell'evoluzione?

Gli organismi sintetici rendono anche più semplice la progettazione degli esseri viventi. Batteri e lieviti, ad esempio, sono già utilizzati per produrre birra e per produrre farmaci salvavita come l’insulina. Aggiungendo, cambiando o eliminando parti del genoma, è possibile conferire a queste cellule nuove capacità.

In uno studio recente, ad esempio, i ricercatori hanno riprogrammato i batteri per sintetizzare proteine ​​utilizzando elementi costitutivi di aminoacidi non presenti in natura. In un altro In uno studio, un team ha trasformato i batteri in Terminator masticatori di plastica che riciclano i rifiuti di plastica in materiali utili.

Anche se impressionanti, i batteri sono fatti di cellule diverse dalle nostre: il loro materiale genetico fluttua in giro, rendendoli potenzialmente più facili da ricablare.

I Progetto lievito sintetico è stata una svolta. A differenza dei batteri, il lievito è una cellula eucariotica. Piante, animali e esseri umani rientrano tutti in questa categoria. Il nostro DNA è protetto all’interno di una bolla simile a una noce chiamata nucleo, il che rende più difficile la modifica da parte dei biologi sintetici.

E per quanto riguarda gli eucarioti, le piante sono più difficili da manipolare rispetto al lievito, un organismo unicellulare, poiché contengono più tipi di cellule che coordinano crescita e riproduzione. I cambiamenti cromosomici possono avvenire in modo diverso a seconda di come funziona ciascuna cellula e, a loro volta, influenzano la salute della pianta.

"La sintesi del genoma negli organismi multicellulari rimane un territorio inesplorato", ha scritto il team nel loro articolo.

Lento e costante

Invece di costruire un genoma completamente nuovo da zero, il team ha armeggiato con il genoma del muschio esistente.

Questa peluria verde è stata ampiamente studiata in laboratorio. Una prima analisi del genoma del muschio ha scoperto che ha 35,000 geni potenziali, sorprendentemente complessi per una pianta. Tutti i 26 cromosomi sono stati completamente sequenziati.

Per questo motivo, la pianta è un “modello ampiamente utilizzato negli studi evolutivi sullo sviluppo e sulla biologia cellulare”, ha scritto il team.

I geni del muschio si adattano facilmente ai cambiamenti ambientali, in particolare quelli che riparano i danni al DNA causati dalla luce solare. Rispetto ad altre piante, come il crescione, un altro modello preferito dai biologi, il muschio ha la capacità intrinseca di tollerare grandi cambiamenti nel DNA e di rigenerarsi più velocemente. Entrambi gli aspetti sono “essenziali” quando si riscrive il genoma, ha spiegato il team.

Un altro vantaggio? Il muschio può crescere fino a diventare una pianta intera da una singola cellula. Questa capacità è uno scenario da sogno per i biologi sintetici perché l’alterazione di geni o cromosomi in una sola cellula può potenzialmente cambiare un intero organismo.

Come i nostri, i cromosomi vegetali sembrano una “X” con due bracci incrociati. Per questo studio, il team ha deciso di riscrivere il braccio cromosomico più corto della pianta, il cromosoma 18. Era ancora un progetto gigantesco. In precedenza, la sostituzione più grande riguardava solo circa 5,000 lettere di DNA; il nuovo studio doveva sostituire oltre 68,000 lettere.

La sostituzione delle sequenze di DNA naturale con “i grandi frammenti sintetici riprogettati ha rappresentato una sfida tecnica formidabile”, ha scritto il team.

Hanno adottato una strategia divide et impera. Per prima cosa hanno progettato pezzi di DNA sintetico di medie dimensioni prima di combinarli in un unico “mega-pezzo” di DNA del braccio cromosomico.

Il cromosoma di nuova concezione ha subito diversi cambiamenti notevoli. È stato privato dei trasposoni, o “geni che saltano”. Questi blocchi di DNA si muovono attorno al genoma e gli scienziati stanno ancora discutendo se siano essenziali per le normali funzioni biologiche o se contribuiscano alla malattia. Il team ha anche aggiunto “tag” di DNA al cromosoma per contrassegnarlo come sintetico e ha apportato modifiche al modo in cui regola la produzione di determinate proteine.

Nel complesso, i cambiamenti hanno ridotto le dimensioni del cromosoma di quasi il 56%. Dopo aver inserito il cromosoma progettista nelle cellule del muschio, il team le ha coltivate in piante adulte.

Un fiore semisintetico

Anche con un genoma fortemente modificato, il muschio sintetico era sorprendentemente normale. Le piante crescevano facilmente fino a diventare cespugli frondosi con rami multipli e alla fine producevano spore. Tutte le strutture riproduttive erano simili a quelle trovate in natura, suggerendo che le piante semisintetiche avevano un ciclo di vita normale e potevano potenzialmente riprodursi.

Le piante hanno anche mantenuto la loro resistenza agli ambienti altamente salini, un utile adattamento osservato anche nelle loro controparti naturali.

Ma il muschio sintetico presentava alcune stranezze epigenetiche inaspettate. L’epigenetica è la scienza che studia il modo in cui le cellule attivano o disattivano i geni. La parte sintetica del cromosoma aveva un profilo epigenetico diverso rispetto al muschio naturale, con più geni attivati ​​del solito. Ciò potrebbe essere potenzialmente dannoso, secondo il team.

Il muschio ha anche offerto potenziali spunti sulla “materia oscura” del DNA, compresi i trasposoni. L'eliminazione di questi geni saltatori non sembrava danneggiare le piante parzialmente sintetiche, suggerendo che potrebbero non essere essenziali per la loro salute.

Più praticamente, i risultati potrebbero incentivare gli sforzi nel campo della biotecnologia utilizzando il muschio per produrre una vasta gamma di proteine ​​terapeutiche, comprese quelle che combattono le malattie cardiache, guariscono le ferite o curano l’ictus. Il muschio è già utilizzato per sintetizzare farmaci. Un genoma parzialmente progettato potrebbe alterarne il metabolismo, aumentarne la resistenza alle infezioni e aumentare la resa.

Il prossimo passo sarà sostituire l'intero braccio corto del cromosoma 18 con sequenze sintetiche. Il loro obiettivo è generare un intero genoma di muschio sintetico entro 10 anni.

È un obiettivo ambizioso. Rispetto al genoma del lievito, che ha richiesto 18 anni e una collaborazione globale per riscriverne la metà, il genoma del muschio è 40 volte più grande. Ma con tecnologie di lettura e sintesi del DNA sempre più efficienti ed economiche, l’obiettivo non è irraggiungibile.

Tecniche simili potrebbero anche ispirare altri progetti per riprogettare i cromosomi negli organismi oltre ai batteri e ai lieviti, dalle piante agli animali.

Immagine di credito: Pyrex/Wikimedia Commons

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• Fonte: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/