Gli scienziati si chiedono da tempo: possono creare una forma di vita sintetica a tutti gli effetti? Il biologo Anthony José ha introdotto il concetto di un codice cellulare, la cui conoscenza è necessaria per ottenere un organismo artificiale.
Allo stato attuale, i ricercatori hanno appena iniziato a produrre forme di vita artificiali riassemblando i genomi di microrganismi unicellulari. In particolare, nel marzo dello scorso anno, è apparso un articolo in una delle pubblicazioni specializzate in cui gli scienziati descrivevano il processo di creazione di un batterio micoplasma con il minor numero possibile di geni. Per ottenere il risultato desiderato, gli scienziati hanno inserito alternativamente frammenti del genoma alterato, che era quasi la metà delle dimensioni dell'originale, nella cellula ricevente con il DNA distrutto.
Quest'anno, i ricercatori americani della Johns Hopkins University sono riusciti a ottenere lievito con cromosomi artificiali, da cui sono stati rimossi geni inutili e difettosi. Inoltre, gli scienziati sono riusciti a rompere il codice genetico cambiando le triplette delle proteine TAG in TAA. A causa di ciò, gli organismi si sono sbarazzati del frammento extra che serviva i codoni TAG.
Mentre alcuni ricercatori stanno cercando di creare organismi unicellulari privi di detriti genetici, allo stesso tempo, altri scienziati stanno cercando di apportare modifiche al modo in cui le proteine sono codificate da una sequenza di DNA. Al momento, i progressi in questa direzione sono più che modesti. Il poco che è stato fatto è diversificare l'alfabeto del DNA. Alcune lettere sono state aggiunte alle quattro lettere nucleotidiche già esistenti. Uno degli articoli scientifici descrive come un gruppo internazionale di ricercatori sia riuscito a inserire nucleotidi artificiali Y, X nel genoma di E. coli. Nonostante il fatto che qualcosa di simile fosse stato fatto prima, i ricercatori sono riusciti a garantire che i batteri conservassero una parte sintetica nel loro DNA, ma durante lo sviluppo con successo.
Tuttavia, questo è solo il primo passo verso un organismo artificiale a tutti gli effetti. Nella fase successiva, gli scienziati intendono forzare i nucleotidi artificiali a codificare gli amminoacidi. In E. coli, le proteine sintetiche Y, X sono state collocate in una parte sicura del genoma, al di fuori delle sequenze codificanti dei geni. Altrimenti, nuovi peptidi interrompono semplicemente il processo di sintesi proteica. La cellula semplicemente non saprebbe di quale amminoacido questo o quel codone (YGC o ATX) fosse responsabile. I biologi devono ancora creare un nuovo RNA di trasporto che sarà in grado di riconoscere tali triplette e inserire un certo amminoacido nella sequenza peptidica in crescita.
Ma anche in tali condizioni, un tale organismo difficilmente può essere definito artificiale. Allo stesso tempo, gli scienziati capiscono quali saranno le loro prossime azioni. Un organismo sintetico riceverà non solo nuovi nucleotidi, ma anche nuovi amminoacidi, che o non si verificano affatto o sono estremamente rari all'interno della cellula. Gli scienziati sanno bene che tutte le triplette di nucleotidi sono codificate da solo venti amminoacidi standard. Alcuni altri amminoacidi, inclusa la selenocisteina, possono essere incorporati nella proteina in determinate condizioni. Grazie alle lettere aggiuntive del codice genetico, sarà possibile arricchire la proteina e formare codoni che corrisponderanno ai nuovi amminoacidi.
Nonostante il fatto che la biologia sintetica abbia ottenuto un certo successo, i ricercatori non sanno ancora esattamente quali informazioni siano importanti per ottenere un organismo con le caratteristiche date. La sequenza del DNA è solo un punto di partenza. Tutte le cellule di una pianta o di un animale contengono lo stesso genoma, ma nel corso dello sviluppo degli organismi, le cellule vengono delineate, in altre parole, svolgono funzioni diverse. In questo processo, una regolazione secondaria (cosiddetta epigenetica) gioca un ruolo importante, durante la quale alcuni geni vengono disattivati o attivati dai composti. Alla fine, una cellula può trasformarsi in un fibroblasto e un'altra in un neurone.
Anthony José, biologo presso l'Università del Maryland, sta studiando come le informazioni non genetiche definiscono un organismo. Il ricercatore ha proposto il concetto di un codice cellulare, che è racchiuso in molecole biologiche situate nello spazio tridimensionale. Queste molecole sono necessarie per ricreare il resto dell'organismo. Per memorizzare queste informazioni, non sono necessarie tutte le cellule di un organismo complesso; saranno sufficienti più o anche una cellula. Per gli organismi che si riproducono sessualmente, un tale deposito è lo zigote (questa è una cellula che si forma dopo la fecondazione di un gamete femminile con uno sperma).
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Secondo il ricercatore, per decifrare il codice cellulare, è necessario studiare l'intero ciclo di ricostruzione dell'organismo. In altre parole, è necessario considerare lo sviluppo di un organismo vivente e la sua riproduzione come un unico processo. Per comprendere appieno come funziona, non è sufficiente decifrare il DNA.
Durante la formazione di uno zigote, la formazione di un nuovo organismo è influenzata non solo dal DNA ottenuto dall'ovocita e dallo sperma, ma anche dal citoplasma del gamete. Le sostanze che si accumulano durante la maturazione dei gameti (mRNA, proteine, fattori di trascrizione) possono causare l'effetto materno. Sono presenti nelle prime fasi di sviluppo dell'embrione e sono persino in grado di ucciderlo (questo è tipico per i coleotteri di maggio). Anche la struttura spaziale di queste sostanze gioca un certo ruolo. In particolare, formano gli assi del corpo negli insetti e determinano il ricciolo delle conchiglie nei molluschi.
Lo scienziato proporrà il seguente schema: una cellula che ha macromolecole biologiche e altri composti, nel processo di interazione con sostanze nutritive, molecole di segnalazione e temperatura (cioè fattori esterni), entra in un altro stato, che, a sua volta, influenza l'ambiente. In modo simile, l'intero sistema attraversa un certo numero di cicli, accumulando nuove sostanze. La nuova fase dipende da quella precedente, quindi può essere prevista.
Jose è preoccupato che i biologi non conoscano ancora l'intero codice cellulare dell'organismo più semplice, ma loro, lavorando con il DNA, hanno già iniziato a creare una forma di vita semi-artificiale. Secondo il ricercatore, tali manipolazioni con materiale genetico assomigliano alla sostituzione di parti in qualche meccanismo, quindi possono essere molto rischiose dal punto di vista etico.
Per decifrare il codice cellulare, il biologo propone di confrontare le caratteristiche interne degli zigoti in una serie di generazioni dei microrganismi più semplici, ad esempio le alghe unicellulari. Per questi scopi, possono essere adatti anche batteri semi-artificiali con un genoma minimo. Studiando l'effetto paterno o materno, sarà possibile stabilire fattori esterni significativi. E lo studio della disposizione spaziale di molecole importanti può essere effettuato utilizzando analisi biochimiche e molecolari sistematiche utilizzando molecole fluorescenti.
