08 maggio 2014
Un DNA modificato per un batterio semisintetico
© Dr. Stanley Flegler/Visuals Unlimited/Corbis
Un batterio comune, dotato di un DNA modificato artificialmente ma in grado comunque di replicarsi: è l'organismo semisintetico realizzato da Floyd Romesberg e colleghi dello Scripps Research Institute di La Jolla, in California. Il risultato pubblicato sulla rivista "Nature", corona anni di studi dedicati alla modifica del codice genetico dei microrganismi per riuscire a sfruttarne il macchinario di sintesi molecolare per produrre nuove proteine.
Il DNA è formato da due lunghe catene di molecole elementari chiamate nucleotidi. Questi possono essere di quattro tipi, con altrettante diverse basi azotate denominate adenina, citosina, guanina e timina (A, C, G, T). I due filamenti nucleotidici formano la caratteristica doppia catena del DNA, simile a una scala a pioli in cui ciascun piolo è costituito da due basi azotate legate tra loro: l'adenina si accoppia solo con la timina e la citosina solo con la guanina.
Un DNA modificato per un batterio semisintetico
Cellule di E. coli in coltura (© Dr. Stanley Flegler/Visuals Unlimited/Corbis)
Romesberg e il suo gruppo sono impegnati fin dalla fine degli anni novanta nella ricerca di coppie di molecole in grado di comportarsi come nuove e funzionali basi di DNA e quindi, in linea di principio, di codificare per proteine e organismi che mai esistiti prima.
Nel 2008, il gruppo arrivò a un risultato fondamentale, identificando alcuni insiemi di molecole nucleotidiche in grado di legarsi ai nucleotidi naturali e dimostrando che un DNA a doppia elica così formato può replicarsi in presenza di opportuni enzimi.
“Il grande limite di questo studio è che era condotto in vitro. La grande sfida era ottenere un DNA modificato in grado di funzionare nel complesso ambiente di una cellula vivente”, ha spiegato Denis A. Malyshev, coautore dell'articolo.
Un DNA modificato per un batterio semisintetico
L'"alfabeto della vita" è costituito da quattro lettere: A, C, G, T, ovvero le iniziali dei quattro tipi di basi azotate che costituiscono i mattoni elementari del DNA. Ma presto potrebbero aggiungersi nuove lettere introdotte artificialmente, per esempio X e Y, come illustrato in questa immagine allegorica (Cortesia Synthorx)
In questo nuovo studio, Romesberg e colleghi hanno sintetizzato un filamento di DNA circolare, chiamato plasmide, e l'hanno modificato inserendo una nuova coppia di nucleotidi denominati d5SICS e dNaM. Il plasmide modificato è stato poi inserito nelle cellule di un comune batterio, Escherichia coli.
Le molecole che servono per costruire i due nucleotidi d5SICS e dNaM, denominate nucleosidi trifosfati, non sono però disponibili nelle cellule. Per permettere ai batteri di replicare il DNA contenente queste basi non naturali, i ricercatori hanno dovuto fornire i nucleosidi artificialmente. L'ultimo ostacolo era la mancanza di un transporter, una molecola in grado di trasferire i nucleosidi dall'esterno all'interno delle cellule batteriche, poi trovata in una specie di microalghe.
Lo studio ha dimostrato che con i plasmidi e il transporter disponibili, il plasmide riusciva non solo a integrare nuovi nucleotidi, ma anche a replicarsi con una velocità e un'accuratezza notevoli. Inoltre, non impediva la crescita delle cellule di E. coli, e non perdeva i suoi nucleotidi sintetici per effetto dei meccanismi di riparazione del DNA.
Il prossimo passo della ricerca sarà dimostrare la piena funzionalità del DNA semisintetico anche nella fase di trascrizione, in cui il codice genetico viene “copiato” dall'RNA, che trasferisce poi l'informazione al macchinario che sintetizza le proteine.
“In linea di principio, potremmo sintetizzare nuove proteine a partire da questi nuovi amminoacidi non naturali, arrivando in futuro a pianificare la realizzazione di molecole terapeutiche e diagnostiche e reagenti di laboratorio che abbiano le caratteristiche desiderate”, ha commentato Romesberg.