“Whole-genome synthesis”: la rivoluzione della biologia sintetica

Riprodurre artificialmente l’intera sequenza genetica dei microrganismi per riprogrammarne alcune funzioni. Esploriamo il potenziale di questa frontiera della biologia.

Esistono software che permettono di leggere e indicare come possibilmente riprogrammare le sequenze genetiche degli organismi. Ciò può avvenire grazie a tecniche di laboratorio sempre più rapide e precise, per inserire nuove o diverse informazioni negli organismi di destinazione. Sono queste le leve grazie alle quali la biologia sintetica, la scienza che si occupa del design, dello sviluppo e della messa a punto di nuovi sistemi biologici pienamente operativi, si augura di poter estendere sempre più il proprio ambito di applicazione, modificando porzioni di genoma via via maggiori. Fino alla cosiddetta “whole-genome synthesis”, la scrittura e la sintesi, da zero, di un intero genoma.

Il potenziale della biologia sintetica

Inserire precise sequenze genetiche, create appositamente, in un microrganismo (come un batterio) può essere un modo per modificarne il comportamento, per esempio inducendolo a metabolizzare e neutralizzare composti tossici o a produrre sostanze attive diverse da quelle previste dal suo genoma.

Poter progettare e impiegare il genoma di interi organismi, formato da svariati milioni di geni, da zero, potrebbe permettere modifiche sia strutturali sia funzionali in misura maggiore, costruendo per esempio cellule con le proprietà desiderate, senza per forza dover partire dai genomi presenti in natura.

Questo processo di sviluppo è al momento agli albori e, per motivazioni tecniche, economiche ed etiche, sta avanzando per gradi, mentre gli esperti ponderano ogni passo.

A piccoli passi

Pietra miliare di questa frontiera della biologia è stata la stesura del primo genoma sintetico virale. Siamo nel 2002, nei laboratori della State University of New York a Stony Brook, e il genoma è quello del poliovirus, un virus a RNA con un codice lungo circa 7.500 nucleotidi. Il risultato di questo studio, pubblicato su Science, fu la prima dimostrazione di principio che era possibile, con strumenti chimici e biochimici, sintetizzare un agente infettivo in laboratorio a partire dalla sola sequenza genomica scritta.

In seguito sono stati effettuati tentativi per riprodurre da zero anche altri microrganismi, spaziando tra batteri e lieviti. L’obiettivo era usarli come modello per indagare sulla funzionalità dei prodotti ottenuti e, in generale, studiare più da vicino i meccanismi legati all’origine della vita e al trasferimento dell’informazione. È del 2008 la “prima volta” della sintesi chimica completa del Mycoplasma genitalium, uno dei batteri autoreplicanti più piccoli e semplici, per mano dei ricercatori del Craig Venter Institute di Rockville, sempre negli Stati Uniti, i cui risultati furono riportati anch’essi su Science.

Ed è il 2019 quando gli scienziati del Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology di Cambridge danno notizia sulle pagine di Nature della sintesi del genoma sintetico di Escherichia coli, batterio tra i più utilizzati nella ricerca in biologia. Un genoma di circa quattro milioni di coppie di basi (il quadruplo rispetto al caso precedente, e un traguardo che una ventina di anni fa era inimmaginabile) nel quale è stato possibile introdurre sequenze in grado di alterare il comportamento dei batteri. Questo ha permesso di ottenere batteri di Escherichia coli viventi, anche se in una forma leggermente diversa rispetto a quelli esistenti in natura, e con una minor velocità di replicazione.

Per quanto riguarda la sintesi del genoma degli eucarioti, gli organismi le cui cellule presentano un nucleo contenuto in una membrana, ci si sta ancora lavorando. Il progetto che sembra più vicino a raggiungere il risultato è il cosiddetto Sc2.0, che prende il nome dal lievito Saccharomyces cerevisiae, un organismo unicellulare tra i più studiati, nonché molto utilizzato nell’industria. La collaborazione internazionale dietro a questo progetto, iniziata nel 2011, ha già segnato traguardi importanti e potrebbe portare presto alla riproduzione del primo lievito completamente sintetico.

Organismi più complessi

L’obiettivo ultimo, di progettare e concretizzare sistemi biologici complessi con risultati prevedibili e riproducibili, è a oggi ancora lontano, anche perché i genomi degli organismi superiori risultano al momento troppo difficili da progettare rispetto alle possibilità degli strumenti a disposizione.

Un progetto importante che guarda al futuro in questa prospettiva è il cosiddetto “Genome Project-Write (GP-Write)”. Il nome è ispirato al Progetto genoma umano, il grande piano di sequenziamento completato nel 2001. Il nuovo progetto ha l’obiettivo di sviluppare gli strumenti e i metodi per la sintesi e lo studio su larga scala dei genomi di molte specie, sia vegetali che animali, essere umano incluso. Tra gli obiettivi più ambiziosi, la costruzione di versioni migliorate, dette “ultra-sicure”, delle cellule umane: cellule che siano resistenti ai virus (come per esempio l’HIV o Sars-CoV-2), al cancro o alle radiazioni. Lanciato formalmente nel 2016, il GP-Write prevede studi almeno ventennali.

Studi che fanno discutere

La biologia sintetica, ancor di più quando si prende in considerazione anche la sintesi integrale degli organismi, suscita forte dibattito all’interno della comunità scientifica, com’è di fatto inevitabile quando è complicato stimare i possibili rischi e benefici di una nuova tecnologia, e quando sono importanti le questioni etiche che questa può sollevare. È sicuramente necessario che, di pari passo col lavoro “di laboratorio”, siano elaborate adeguate strategie per la sicurezza, e vengano via via emanate opportune policy.