Un lievito con oltre il 50% del genoma artificiale

Quanto siamo lontani dalla prima cellula eucariotica, cioè dotata di nucleo e simile alle nostre, interamente artificiale?
Un gruppo di ricercatori ha fatto importanti progressi in questa direzione assemblando più di sette cromosomi artificiali in una cellula di lievito. Questo ha dato vita a un ceppo con più del 50% di DNA completamente sintetico, in grado di sopravvivere e riprodursi come i ceppi naturali. I risultati sono stati pubblicati l'8 novembre sulla rivista "Cell" e fanno parte di una serie di studi che mostrano i progressi del Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0), un'iniziativa internazionale volta alla costruzione del primo genoma eucariotico completamente sintetico. I ricercatori sono riusciti a completare la sintesi e l'assemblaggio di tutti e sedici i cromosomi del lievito, e sono finora riusciti ad ottenere cellule vive con circa la metà dei cromosomi naturali rimpiazzati dalla loro versione sintetica. Il genoma del lievito sintetico creato dai ricercatori differisce notevolmente dal genoma originale del Saccharomyces cerevisiae, che viene utilizzato come modello. I ricercatori hanno infatti eliminato sequenze di DNA non codificante e ripetizioni giudicate superflue, hanno inserito nuovi segmenti di DNA per differenziare i geni sintetici da quelli naturali e hanno incluso un sistema chiamato "SCRaMbLE" che genra un continuo rimescolamento dell'ordine dei geni all'interno dei cromosomi, in modo da ottenere una continua variazione nei genomi delle cellule discendenti, utile a identificare quelle più adatte per uno scopo preordinato.

Inoltre, per migliorare la stabilità del genoma, è stato necessario spostare molti geni che codificano l'RNA di trasferimento (tRNA), trasferendoli in un "neocromosoma" completamente nuovo, composto esclusivamente da geni tRNA. Questo neocromosoma di tRNA è il primo cromosoma completamente nuovo e sintetico al mondo inserito in una cellula dotata di nucleo, un risultato sin qui unico nel suo genere. Dato che il genoma del lievito è costituito da 16 cromosomi, i ricercatori hanno inizialmente sintetizzato artificialmente ogni cromosoma singolarmente, inserendolo nelle cellule di lievito e ottenendo 16 ceppi di lievito parzialmente sintetici, ciascuno con un cromosoma artificiale e 15 naturali. Poi, incrociando i diversi ceppi tra di loro, hanno via via selezionato le cellule che portavano più cromosomi sintetici. Così si è ottenuto un ceppo di lievito con sei cromosomi completi e un braccio cromosomico unico, che aveva una morfologia normale e solo minimi difetti di crescita. Da un punto di vista puramente scientifico, il successo di questi esperimenti dimostra che, anche in un organismo più complesso di un batterio o di un virus, abbiamo raggiunto un livello di conoscenza da riuscire ad identificare quale sia l’informazione genetica necessaria per la sopravvivenza di un organismo come il lievito, riassemblando le sequenze genetiche corrispondenti a nostro piacimento ed inserendo anche nuove istruzioni o nuovi tipi di istruzioni disegnate a tavolino, in modo da ottenere organismi funzionanti. Non è un traguardo scontato, ed implica anche che siamo pienamente in grado di “ottimizzare” a piacimento il genoma di un eucariota, un traguardo impossibile senza la pregressa e dettagliatissima conoscenza delle funzioni di ogni gene e delle relazioni funzionali fra geni diversi.

Da un punto di vista applicativo, il passo successivo sarà quello di migliorare sia la tecnologia per l’ottenimento di cellule con un genoma sintetico, sostituendo la laboriosa procedura di incrocio con qualcosa di meglio, sia quello di accrescere le prestazioni del lievito sintetico per testarne infine l’uso in ambiti industriali. Ricordando che da cellule di lievito si ottengono numerosi prodotti di interesse biotecnologico e farmaceutico e taluni prodotti alimentari molto diffusi (dal pane alla birra), le prospettive che si aprono disegnando lieviti artificiali su misura sono ovviamente molto interessanti.
E così, è possibile che il primo organismo complesso interamente artificiale nascerà al crocevia tra genomica, scienza dell’informazione, biotecnologie e processi industriali.