Aggiunte nuove basi al DNA per creare un organismo semi-sintetico

In terza media si impara che gli acidi nucleici che formano le coppie di basi in DNA e RNA sono 5: A, C, T, G e U. Solo e soltanto questi, ci insegnano, sono gli elementi costitutivi della vita. Ma non più.

Un gruppo di ricercatori ha sintetizzato due coppie di basi completamente nuove e assenti in natura, integrandole nel codice genetico di un batterio (Escherichia coli) e creando così una vita semi-sintetica. Le cellule si sono moltiplicate come in qualunque altro materiale genetico, e questo apre un nuovo scenario sulla possibilità di scoprire nuove medicine.

“Possiamo usare i processi di evoluzione per costruire proteine che fanno cose specifiche, e produrre così medicine migliori,” mi ha detto in un’intervista Floyd Romesberg, il ricercatore che ha passato più di un decennio a lavorare sul progetto. “Si può scegliere qualunque struttura chimica per creare proteine completamente abiotiche che non si trovano in natura.” Oltre a nuove medicine, la vita sintetica può essere utilizzata per creare nuovi materiali adatti alla nanotecnologia e, infine, all’ingegneria genetica.

La scoperta, pubblicata su Nature, è il risultato di 14 anni di ricerca condotta allo Scripps Research Institute, e cambia radicalmente ciò che possiamo dire degli elementi costitutivi della vita. Rappresenta un modo nuovo di praticare l’ingegneria genetica, una nuova interpretazione del DNA che permetterà ai ricercatori, se tutto va secondo i piani, di creare proteine e quindi caratteristiche genetiche mai viste prima.

In un organismo naturale, gli acidi nucleici A, C, T, G e U vengono usati dal DNA e dall’RNA per codificare gli aminoacidi che danno forma alle proteine, che a loro volta svolgono la maggior parte delle funzioni necessarie per vivere. Al momento, DNA e RNA possono codificare circa 500 aminoacidi, in base al numero di combinazioni a tre lettere degli acidi nucleici. Ma se si creano coppie di basi completamente nuove, cambia tutto.

“Aggiungendole agli acidi nucleici esistenti, potremmo ottenere nuove funzioni che non possiamo prevedere” mi ha detto Ross Thyer, un ricercatore dell’università di Austin che ha seguito la ricerca, pur non essendone coinvolto.

In un articolo sulla scoperta, Thyer ha scritto che potrebbe “aprire nuove strade per l’ingegneria genetica e permetterci di sondare abissi prima inesplorabili per l’evoluzione,” che è uno dei motivi per cui DARPA sta lavorando su ricerche simili. Romesberg mi ha detto che l’applicazione più immediata della ricerca sarà riuscire a creare proteine nuove che possono essere usate per sintetizzare nuove medicine.

Uno giorno gli scienziati potranno codificare un batterio specifico per creare una proteina che risolve un certo problema–unirsi a un certo recettore, per esempio–e il batterio, usando una coppia di basi non-naturale, potrebbe crearne una che funziona meglio di quelle che si trovano in natura. Ciò significa che, invece di creare qualcosa in laboratorio, la si rende parte normale delle funzioni cellulari del batterio (o di qualunque altro organismo vivente). Terapie a base proteica vengono usate per trattare il diabete e il cancro, e anche per evitare che il corpo rigetti gli organi trapiantati.

“La cellula processa milioni di soluzioni possibili per scoprire cosa funziona meglio. Non abbiamo bisogno di sapere la soluzione. I chimici impiegano anni a creare queste cose,” ha detto. “Se riuscissimo a inserire queste molecole in un processo biologico, ci vorrebbero settimane.”

Questo perché in teoria, usando i principi base dell’evoluzione, i ricercatori dovrebbero essere in grado di forzare le cellule in una situazione svantaggiosa, quindi utilizzare coppie di basi non-naturali per creare aminoacidi non-naturali che a loro volta codifichino proteine non-naturali, e poi stare a vedere cosa sopravvive.

Nonostante Romesberg abbia creato una forma di vita “semi-sintetica” o “aumentata,” c’è ancora qualche ostacolo da superare. La coppia di basi può essere inserita ovunque nel codice genetico del batterio (questo è un nuovo sviluppo, assente nella pubblicazione di Nature) e viene riprodotta dal batterio in maniera naturale. Questo è davvero notevole, ma il prossimo passo è vedere se l’RNA della cellula riesce a interpretare i messaggi codificati dal DNA. Dopo di che, verranno prodotti nuovi aminoacidi e proteine. Romesberg dichiara che, in provetta, questo funziona, ma è arrivata l’ora di provare con una cellula vivente.

Il fatto che funzioni, dice il ricercatore, indica che non c’è nulla di particolare o unico negli acidi nucleici A, C, T, G e U–domanda che i biologi si pongono da quando James Watson e Francis Crick hanno scoperto la struttura del DNA. Al contrario, i mattoni della vita sono un problema di chimica che più essere affrontato in modi diversi.

In questo caso, la coppia di basi (d5SICS e dNaM) ha una struttura completamente diversa rispetto ai nucleotidi tradizionali: il legame avviene perché sono entrambe idrofobiche (quelle tradizionali invece stanno insieme grazie a legami idrogeno). Ma pare che questo non sia importante, poiché funzionano perfettamente anche in un organismo.

“Abbiamo del tutto abbandonato il paradigma noto. Il nuovo meccanismo di accoppiamento è molto diverso. La struttura delle basi è completamente diversa. Questo vuol dire che qualunque cosa serva, per conservare l’informazione genetica, deriva da principi chimici basilari. Le lettere naturali non sono l’unica soluzione.”

Dovremmo avere paura di giocare con gli elementi costitutivi della vita? Secondo Thyer, non ancora.

“I tentativi di espandere l’alfabeto genetico mettono in discussione l’idea che la natura del DNA sia universale, e attrarranno critiche sulla opportunità di manipolarlo,” ha detto. “La genetica ha sempre avuto a cuore quei meccanismi che producono una maggiore diversità genetica, e forse un futuro genetico migliore.”