La scorsa settimana, un gruppo di 150 esperti invitati si è riunito ad Harvard. A porte chiuse, hanno discusso le prospettive di progettare e costruire un intero genoma umano da zero, utilizzando solo un computer, un sintetizzatore di DNA e materie prime. Un genoma artificiale verrà quindi introdotto in una cellula umana vivente per sostituire il suo DNA naturale. La speranza è che la cellula si "riavvii", modifichi i suoi processi biologici per funzionare in base alle istruzioni fornite dal DNA artificiale.
In altre parole, potremmo presto vedere la prima "cellula umana artificiale".
Ma l'obiettivo non è semplicemente creare Human 2.0. Attraverso questo progetto, HGP-Write: Testing Large Synthetic Genomes in Cells, gli scienziati sperano di sviluppare strumenti innovativi e potenti che spingeranno la biologia sintetica verso una crescita esponenziale su scala industriale. In caso di successo, non solo acquisiremo strumenti biologici per progettare gli esseri umani come specie: saremo in grado di ricostruire il mondo vivente.
Creazione della vita
La biologia sintetica è essenzialmente un matrimonio tra i principi dell'ingegneria e della biotecnologia. Mentre il sequenziamento del DNA riguarda la lettura del DNA, l'ingegneria genetica riguarda la modifica del DNA e la biologia sintetica riguarda la programmazione di nuovo DNA, indipendentemente dalla sua fonte originale, al fine di creare nuove forme di vita.
I biologi sintetici vedono il DNA ei geni come mattoni biologici standard che possono essere usati a loro piacimento per creare e modificare le cellule viventi.
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C'è il concetto di designer in quest'area, afferma il dottor Jay Keesling, un pioniere dell'ingegneria sintetica presso l'Università della California, Berkeley. "Quando il tuo disco rigido muore, puoi andare al negozio di computer più vicino, comprarne uno nuovo, sostituire quello vecchio", dice. "Perché non usiamo parti biologiche allo stesso modo?"
Per accelerare i progressi in questo settore, Kisling ei suoi colleghi stanno mettendo insieme un database di pezzi di DNA standardizzati, chiamati BioBricks ("biobricks"). Può essere usato come pezzi di un puzzle per raccogliere materiale genetico mai visto prima in natura.
Per Kisling e altri operatori del settore, la biologia sintetica è come sviluppare un nuovo linguaggio di programmazione. Le cellule sono hardware, hardware, mentre il DNA è il software che le fa funzionare. Con una conoscenza sufficiente di come funzionano i geni, i biologi sintetici sperano di essere in grado di scrivere programmi genetici da zero, creare nuovi organismi, cambiare la natura e persino dirigere l'evoluzione umana in una nuova direzione.
Simile all'ingegneria genetica, la biologia sintetica offre agli scienziati l'opportunità di sperimentare con il DNA naturale. La differenza di scala: l'editing genico è un processo taglia / incolla che aggiunge nuovi geni o cambia le lettere nei geni esistenti. A volte non cambia molto.
La biologia sintetica, d'altra parte, crea geni da zero. Ciò offre agli scienziati una maggiore flessibilità per modificare i geni noti o persino crearne di propri. Le possibilità sono quasi infinite.
Biomedicali, biocarburanti, bio-colture
L'esplosione della biologia sintetica negli ultimi dieci anni ha già prodotto risultati che hanno affascinato scienziati e aziende allo stesso modo. Nel 2003, Kisling ha pubblicato uno dei primissimi studi per dimostrare e dimostrare la potenza di questo approccio. Si concentrava su una sostanza chimica chiamata artemisinina, un potente farmaco antimalarico estratto dall'assenzio dolce (assenzio).
Nonostante i numerosi tentativi di coltivare questa pianta, la sua resa rimane estremamente bassa.
Kisling si rese conto che la biologia sintetica offriva un modo per aggirare del tutto il processo di raccolta. Introducendo i geni necessari nelle cellule batteriche, ha ragionato, è possibile trasformare queste cellule in macchine per la produzione di artemisinina e fornire a loro spese una nuova abbondante fonte del farmaco.
Questo è stato molto difficile da fare. Gli scienziati dovevano costruire una via metabolica completamente nuova nella cellula, permettendole di elaborare sostanze chimiche che prima non conosceva. Attraverso tentativi ed errori, gli scienziati hanno incollato insieme dozzine di geni di più organismi in un unico pacchetto di DNA. Inserendo questa sacca in E. coli - il batterio E. coli è comunemente usato in laboratorio per produrre sostanze chimiche - hanno creato un nuovo percorso per i batteri per secernere l'artemisinina.
Stringendo ancora un po 'i dadi necessari, Kisling e il suo team sono riusciti ad aumentare la produzione di un milione di volte e ridurre il prezzo del farmaco di dieci volte.
L'artemisinina è stata solo il primo passo di un vasto programma. Questo farmaco è un idrocarburo che appartiene a una famiglia di molecole spesso utilizzate per produrre biocarburanti. Perché non applicare lo stesso processo alla produzione di biocarburanti? Sostituendo i geni utilizzati dai batteri per produrre l'artemisinina con geni per la produzione di idrocarburi biocarburanti, gli scienziati hanno già creato molti microbi che convertono lo zucchero in carburante.
L'industria agricola è un'altra industria che può trarre enormi vantaggi dalla biologia sintetica. In teoria, potremmo prendere i geni responsabili della fissazione dell'azoto nei batteri, inserirli nelle cellule delle nostre colture e invertire completamente il loro processo di crescita naturale. Con la giusta combinazione di geni, potremmo coltivare una coltura con uno spettro completo di sostanze nutritive che richiede meno acqua, terra, energia e fertilizzanti.
La biologia sintetica potrebbe essere applicata alla produzione di alimenti completamente nuovi, come fragranze attraverso la fermentazione di lievito modificato o formaggi vegani e altri prodotti lattiero-caseari creati senza l'aiuto di animali.
"Dobbiamo ridurre le emissioni di carbonio e inquinanti, utilizzare meno terra e acqua, controllare i parassiti e migliorare la fertilità del suolo", ha affermato la dottoressa Pamela Ronald, professore presso l'Università della California, Davis. La biologia sintetica può fornirci gli strumenti di cui abbiamo bisogno.
Ricreare la vita
Pratica a parte! Uno degli obiettivi finali della biologia sintetica è creare un organismo sintetico composto esclusivamente da DNA appositamente progettato.
L'ostacolo principale ora è la tecnologia. La sintesi del DNA è attualmente molto costosa, lenta e soggetta a errori. La maggior parte dei metodi esistenti rende possibile creare un filamento di DNA lungo 200 lettere; i geni normali sono dieci volte più lunghi. Il genoma umano contiene circa 20.000 geni che producono proteine. Ma il costo della sintesi del DNA è diminuito rapidamente negli ultimi dieci anni.
Secondo il dottor Drew Andy, genetista alla Stanford University, il costo del sequenziamento di una singola lettera è sceso da $ 4 nel 2003 a 3 centesimi oggi. Il costo stimato per la stampa di tutti i 3 miliardi di lettere del genoma umano oggi è di $ 90 milioni, ma dovrebbe scendere a $ 100.000 in 20 anni se la tendenza rimane la stessa.
Negli anni '90, Craig Venter, noto per il suo ruolo di primo piano nel sequenziamento del genoma umano, iniziò a cercare il set minimo di geni necessari per creare la vita. Insieme ai colleghi dell'Istituto per la ricerca genomica, Venter stava estraendo i geni dal batterio Mycoplasma genitalium per identificare quelli critici per la vita.
Nel 2008 Venter ha messo insieme questi "geni critici" e assemblato un nuovo genoma "minimo" da un brodo di sostanze chimiche utilizzando la sintesi del DNA.
Alcuni anni dopo, Venter trapiantò un genoma artificiale in un secondo batterio. I geni hanno messo radici e "riavviato" la cellula, permettendole di crescere e riprodursi - è stato il primo organismo con un genoma completamente artificiale.
Dai batteri all'uomo
Se la nuova impresa ottiene finanziamenti, replicherà gli esperimenti di Venter utilizzando il nostro genoma. Dato che il genoma umano è circa 5.000 volte più grande dei batteri di Venter, è difficile dire quanto possa essere più difficile questa sintesi.
Anche se tutto il resto fallisce, l'industria acquisirà una preziosa esperienza. Secondo il dottor George Church, genetista capo presso la Harvard School of Medicine, questo progetto potrebbe aprire progressi tecnologici che miglioreranno la nostra capacità di sintetizzare lunghi filamenti di DNA. Church sottolinea anche che l'obiettivo principale del progetto è lo sviluppo della tecnologia.
Tuttavia, l'incontro degli scienziati ha causato molto scetticismo. Comunque sia, questo progetto potrebbe un giorno portare alla creazione di "bambini disegnati" o anche umani. I genitori di queste persone possono essere computer. È facile immaginare un simile futuro, ma fa paura: quanto è sicuro manipolare o creare la vita direttamente? Chi sarà il proprietario di questa tecnologia? Cosa fare con una vita che si è rivelata infruttuosa? Tutto questo non creerà discriminazione e disuguaglianza?
ILYA KHEL
