Febbraio 18, 2020
I ricercatori di biologia sintetica hanno sviluppato un genoma delle dimensioni di una cellula minima che può copiarsi.
Il campo della biologia sintetica non solo osserva e descrive i processi della vita, ma li imita anche. Una caratteristica chiave della vita è la capacità di replica, il che significa il mantenimento di un sistema chimico. Gli scienziati del Max Planck Institute of Biochemistry di Martinsried hanno generato un sistema che è in grado di rigenerare parti del proprio DNA e blocchi di proteine.
Nel campo della biologia sintetica, i ricercatori studiano i cosiddetti processi “dal basso verso l’alto”, il che significa che la generazione di sistemi di simulazione della vita da blocchi di costruzione inanimati. Una delle caratteristiche più fondamentali di tutto l’organismo vivente è la capacità di conservare e riprodursi come entità distinte. Tuttavia, l’approccio artificiale “dal basso verso l’alto” per creare un sistema, in grado di replicarsi, è una grande sfida sperimentale. Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a superare questo ostacolo e sintetizzare tale sistema.
Hannes Mutschler, capo del gruppo di ricerca “Sistemi biomimetici” presso il Max Planck Institute for Biochemistry, e il suo team sono dedicati a imitare la replicazione dei genomi e la sintesi proteica con un approccio “dal basso verso l’alto”. Entrambi i processi sono fondamentali per l’autoconservazione e la riproduzione dei sistemi biologici. I ricercatori sono ora riusciti a produrre un sistema in vitro, in cui entrambi i processi potrebbero aver luogo simultaneamente. “Il nostro sistema è in grado di rigenerare una percentuale significativa dei suoi componenti molecolari stessi”, spiega Mutschler.
Per avviare questo processo, i ricercatori avevano bisogno di un manuale di costruzione, nonché di varie “macchine” molecolari e sostanze nutritive. Tradotto in termini biologici, questo significa che il manuale di costruzione è il DNA, che contiene le informazioni per produrre proteine. Le proteine sono spesso definite “macchine molecolari” perché spesso agiscono come catalizzatori, che accelerano le reazioni biochimiche negli organismi. I mattoni fondamentali del DNA sono i cosiddetti nucleotidi. Le proteine sono fatte di aminoacidi.
Struttura modulare del manuale di costruzione
In particolare, i ricercatori hanno ottimizzato un sistema di espressione in vitro che sintetizza le proteine sulla base di un modello di DNA. Grazie a numerosi miglioramenti, il sistema di espressione in vitro è ora in grado di sintetizzare le proteine, note come DNA polimerasi, in modo molto efficiente. Queste DNA polimerasi replicano quindi il DNA usando i nucleotidi. Kai Libicher, primo autore dello studio, spiega: “A differenza degli studi precedenti, il nostro sistema è in grado di leggere e copiare genomi del DNA relativamente lunghi.
Gli scienziati hanno assemblato i genomi artificiali da un massimo di undici pezzi di DNA a forma di anello. Questa struttura modulare consente loro di inserire o rimuovere facilmente determinati segmenti di DNA. Il più grande genoma modulare riprodotto dai ricercatori nello studio è costituito da oltre 116.000 coppie di basi, raggiungendo la lunghezza del genoma di cellule molto semplici.
Rigenerazione di proteine
Oltre a codificare le polimerasi importanti per la replicazione del DNA, il genoma artificiale contiene progetti per ulteriori proteine, come ad esempio 30 fattori di traduzione originati dal batterio Escherischia coli. I fattori di traduzione sono importanti per la traduzione del progetto del DNA nelle rispettive proteine. Pertanto, sono essenziali per i sistemi autoreplicanti, che imitano i processi biochimici. Per dimostrare che il nuovo sistema di espressione in vitro non solo è in grado di riprodurre il DNA, ma è anche in grado di produrre i propri fattori di traduzione, i ricercatori hanno utilizzato la spettrometria di massa. Con questo metodo analitico, hanno determinato la quantità di proteine prodotte dal sistema.
Sorprendentemente, alcuni dei fattori di traduzione erano presenti anche in quantità maggiori dopo la reazione rispetto a prima. Secondo i ricercatori, questo è un passo importante verso un sistema continuamente autoreplicante che imita i processi biologici.
In futuro, gli scienziati vogliono estendere il genoma artificiale con ulteriori segmenti di DNA. In collaborazione con i colleghi della rete di ricerca MaxSynBio, vogliono produrre un sistema avvolgente in grado di rimanere praticabile aggiungendo sostanze nutritive e smaltendo i prodotti di scarto. Una cella così minima potrebbe quindi essere utilizzata, ad esempio, nella biotecnologia come macchina di produzione su misura per sostanze naturali o come piattaforma per la costruzione di sistemi realistici ancora più complessi.
Fonte:
Materiale fornito da Max-Planck-Gesellschaft.
Riferimento:
K. Libicher, R. Hornberger, M. Heymann, H. Mutschler. Auto-replicazione in vitro ed espressione multicistronica di grandi genomi sintetici. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-14694-2