Realizzato il primo genoma autoreplicante

I ricercatori hanno ottimizzato un sistema in vitro che sintetizza le proteine sulla base di un modello di DNA.

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La biologia di sintesi o biologia sintetica è una disciplina che sintetizza la biologia e l’ingegneria per realizzare organismi artificiali combinando varie conoscenze per ingegnerizzare sistemi biologici a scopo di ricerca, per applicazioni mediche e biotecnologiche.

La biologia sintetica persegue la progettazione e la realizzazione di componenti e sistemi biologici non esistenti in natura e la riprogettazione di sistemi biologici esistenti. Il termine è stato introdotto dal genetista polacco Waclaw Szybaski nel 1974.

Questa disciplina sfrutta una caratteristica che contraddistingue i sistemi viventi e la vita stessa, cioè la capacità di replicarsi. Gli scienziati del Max Planck Institute of Biochemistry di Martinsried hanno ideato un sistema che è in grado di rigenerare parti del proprio codice genetico e blocchi di proteine.

Nel campo della biologia sintetica i ricercatori studiano processi chiamati “dal basso verso l’alto“, il che significa che la generazione di sistemi di simulazione della vita parte da blocchi di costruzione inanimati.

Una delle caratteristiche fondamentali di tutti gli organismi viventi è la capacità di conservarsi 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 ottenendo questo processo.

Hannes Mutschler, capo del gruppo di ricerca “Sistemi biomimetici” del Max Planck Institute for Biochemistry, e il suo team si sono impegnati a imitare la replicazione dei genomi e della sintesi proteica attraverso l’approccio “dal basso verso l’alto”. Entrambi i processi sono fondamentali per l’autoconservazione e la riproduzione dei sistemi biologici. I ricercatori sono stati in grado di 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 stessi componenti molecolari“, spiega Mutschler.

Il processo è stato avviato grazie a un “manuale delle istruzioni o DNA ”, di diverse “macchine molecolari o proteine” e di sostanze nutritive. Il DNA contiene informazioni per costruire le proteine che in alcuni casi agiscono come catalizzatori accelerando le reazioni biochimiche. A comporre il DNA sono i cosi detti nucleotidi e le proteine invece sono fatte da altre sostanze dette “aminoacidi”.

I ricercatori hanno ottimizzato un sistema in vitro che sintetizza le proteine sulla base di un modello di DNA. Grazie a numerosi miglioramenti, il sistema è ora capace di sintetizzare le proteine della DNA polimerasi, in modo molto efficiente. La DNA polimerasi replica 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 sequenze di DNA relativamente lunghe.

I ricercatori hanno assemblato i genomi artificiali con 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.

Il genoma non si limita a codificare le polimerasi importanti per la replicazione del DNA, esso contiene progetti per realizzare 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. Utilizzando questo metodo analitico, hanno determinato la quantità di proteine prodotte dal sistema.

La sorpresa è stata quella di trovare alcuni dei fattori di traduzione presenti anche in quantità maggiori dopo la reazione rispetto a quelli aggiunti in precedenza. 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 cellula praticamente.

Una cellula così minima potrebbe essere utilizzata, ad esempio, in biotecnologia come macchina di produzione su misura per sostanze naturali o come piattaforma per la costruzione di sistemi realistici ancora più complessi.

Fonte: Phys.org