Un team internazionale di scienziati provenienti da Stati Uniti, Francia e Cina ha creato una forma di vita semisintetica. Sebbene siano già stati fatti tentativi per ottenere batteri con DNA modificato, i microrganismi si sono moltiplicati male, hanno richiesto condizioni di crescita speciali e alla fine hanno eliminato le modifiche introdotte in essi. "Lenta.ru" parla di un nuovo lavoro in cui i ricercatori sono riusciti a risolvere questi problemi, avendo ottenuto una creatura che è radicalmente diversa da tutta la vita naturale sulla Terra.
Non molto tempo fa, il DNA di tutti gli organismi viventi sul nostro pianeta era costituito da quattro tipi di nucleotidi contenenti adenina (A), timina (T), guanina (G) o citosina ©. Stringhe di decine o centinaia di milioni di nucleotidi formano cromosomi separati. I geni trovati sui cromosomi sono essenzialmente lunghe sequenze nucleotidiche in cui sono codificate le sequenze amminoacidiche delle proteine. La combinazione di tre nucleotidi consecutivi (codone o tripletto) corrisponde a uno dei 20 amminoacidi. Pertanto, la vita utilizza un codice genetico di tre lettere (ATG, CGC e così via) basato su un alfabeto di quattro lettere (A, C, T, G).
Quando una cellula di un organismo necessita di una proteina (polipeptide), il gene che la codifica viene attivato. Quest'ultimo è attaccato a uno speciale enzima chiamato RNA polimerasi, che, durante il processo di trascrizione, inizia a seguire la sequenza dei nucleotidi ea crearne una copia sotto forma di una molecola chiamata RNA messaggero (mRNA). L'RNA è molto simile al DNA, ma invece della timina contiene uracile (U). Successivamente, l'mRNA lascia il nucleo cellulare e va ai ribosomi, dove serve come ricetta per creare la catena di amminoacidi della proteina durante la traduzione.
I ricercatori hanno deciso di cambiare il codice genetico di Escherichia coli aggiungendovi due "lettere" aggiuntive. Il fatto è che il DNA negli organismi viventi è doppio, cioè è formato da due catene che sono accoppiate tra loro da legami complementari. Tali legami si formano tra la base del nucleotide A da un filamento e la base del nucleotide T dall'altro (analogamente, tra C e G). Ecco perché anche i due nuovi nucleotidi sintetici devono essere in grado di accoppiarsi in modo complementare. La scelta è caduta su dNaM e d5SICS.
E. coli Escherichia coli
Foto: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Una coppia di nucleotidi sintetici è stata inserita in un plasmide, una molecola di DNA circolare a doppio filamento in grado di moltiplicarsi separatamente dal resto del genoma batterico. Hanno sostituito una coppia di nucleotidi complementari A e T, che facevano parte dell'operone del lattosio, un insieme di geni che metabolizzano lo zucchero di lattosio e le sequenze di DNA non codificanti ad essi associate. I nucleotidi sintetici non sono stati inclusi nella regione che la polimerasi copia nell'mRNA.
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Perché gli scienziati hanno deciso di non inserire nucleotidi sintetici direttamente nel gene, ma accanto ad esso? Il fatto è che è molto difficile cambiare un gene in questo modo in modo che rimanga funzionale. Dopotutto, per questo è necessario legare i nuovi codoni risultanti a qualsiasi amminoacido. Per questo, a sua volta, è necessario insegnare alla cellula a produrre vari tipi di RNA di trasporto (tRNA), che possono riconoscere questi codoni.
Le molecole di tRNA svolgono la seguente funzione. Loro, come i camion, trasportano un certo amminoacido a un'estremità, si avvicinano all'mRNA nei ribosomi e, a loro volta, iniziano ad abbinare la tripletta di nucleotidi all'altra estremità con il codone. Se corrispondono, l'amminoacido viene rimosso e incorporato nella proteina. Tuttavia, se non esiste un tRNA adatto, la proteina non verrà sintetizzata, il che può influire negativamente sulla vitalità cellulare. Pertanto, inserendo nucleotidi sintetici nei geni, gli scienziati dovrebbero creare geni che codificano nuovi tRNA in grado di riconoscere codoni artificiali e attaccare l'aminoacido corretto al polipeptide. Tuttavia, il compito dei ricercatori era più semplice. Dovevano assicurarsi che il plasmide con nucleotidi sintetici si moltiplicasse con successo e fosse trasmesso agli organismi figlie.
Plasmidi utilizzati per trasformare l'Escherichia coli
Immagine: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Nature / Department of Chemistry / The Scripps Research Institute
Questo plasmide, denominato pINF, è stato introdotto in E. coli. Tuttavia, per copiarlo, è necessario che all'interno della cellula batterica siano presenti molti nucleotidi. A tale scopo, un altro plasmide, pCDF-1b, è stato inserito in E. coli. Conteneva il gene per la diatomea Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, che codifica per la proteina NTT, che trasporta i nucleotidi dal mezzo nutritivo nella cellula.
Tuttavia, gli scienziati hanno dovuto affrontare una serie di difficoltà. In primo luogo, le proteine del Phaeodactylum tricornutum hanno un effetto tossico sulle cellule di E. coli. Tutto a causa della presenza in essi di un frammento della sequenza amminoacidica, che svolge una funzione di segnalazione. Grazie a lei, la proteina assume la posizione corretta nella cellula dell'alga, dopodiché la sequenza viene rimossa. E. coli non è in grado di rimuovere questo frammento, quindi i ricercatori l'hanno aiutata. Sono stati in grado di rimuovere i primi 65 amminoacidi da NTT. Questo ha ridotto significativamente la tossicità, sebbene abbia anche ridotto la velocità di trasporto dei nucleotidi.
Un altro problema era che i nucleotidi sintetici venivano trattenuti nei plasmidi per lungo tempo e non sostituiti quando il DNA veniva copiato. Come si è scoperto, la loro sicurezza dipendeva da quali nucleotidi li circondavano. Per scoprirlo, gli scienziati hanno analizzato varie combinazioni incorporate in 16 plasmidi. Per capire se un nucleotide sintetico fosse uscito dalla sequenza, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia CRISPR / Cas9.
CRISPR / Cas9
Immagine: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 è un meccanismo molecolare che esiste all'interno dei batteri e consente loro di combattere i batteriofagi. In altre parole, questa tecnologia rappresenta l'immunità contro le infezioni virali. CRISPR è un pezzo speciale di DNA. Contengono brevi frammenti di virus a DNA che una volta infettavano gli antenati dei batteri di oggi, ma sono stati sconfitti dalle loro difese interne.
Quando il batteriofago entra nei batteri, questi frammenti vengono utilizzati come stampo per la sintesi di molecole chiamate crRNA. Si formano molte catene di RNA diverse, che si legano alla proteina Cas9, il cui compito è tagliare il DNA del virus. Può farlo solo dopo che il crRNA trova un frammento complementare di DNA virale.
Se, invece del crRNA, viene utilizzata una sequenza di RNA complementare a un certo frammento del plasmide, allora Cas9 taglierà anche il plasmide. Ma se ci sono nucleotidi sintetici in quel frammento, la proteina non funzionerà. Pertanto, utilizzando CRISPR, è possibile isolare quei plasmidi resistenti alle mutazioni indesiderate. Si è scoperto che in 13 plasmidi su 16, la perdita di nucleotidi sintetici era insignificante.
Così, i ricercatori sono riusciti a creare un organismo con cambiamenti fondamentali nel DNA, in grado di trattenerli in sé indefinitamente.
Sebbene una forma di vita semisintetica abbia solo due nucleotidi innaturali nel suo genoma, che non si trovano nei codoni e non sono coinvolti nella codifica degli amminoacidi, è il primo organismo resistente il cui alfabeto del DNA è composto da sei lettere. In futuro, gli scienziati saranno molto probabilmente in grado di utilizzare questa innovazione per sintetizzare le proteine, creando così un codice genetico artificiale a tutti gli effetti.
Alexander Enikeev
