Quattro lettere in più per l'alfabeto genetico

Biologia sintetica: il DNA artificiale composto da 8 basi anziché le "solite" 4. Che cosa vuol dire? È la prima volta che si usano "basi extra" per rincorrere la vita sintetica?

dna_shutterstock_780500362
Illustrazione: replicazione della struttura molecolare.|Photobank gallery / Shutterstock

Da tempo gli scienziati “trafficano” con il DNA, la molecola della vita. Nel corso degli ultimi anni si è sentito parlare della creazione di un nuovo alfabeto della vita, dell'aggiunta di “lettere” al codice genetico, della possibilità di creare organismi artificiali...

 

Una delle ultime notizie arrivate in questo campo è il risultato ottenuto nel laboratorio di Steven Benner, direttore della Foundation for Applied Molecular Evolution, in Florida: un alfabeto genetico con otto lettere, invece delle quattro note basi azotate (adenina, timina, citosina, guanina, indicate con le lettere A, T, C, G). Questi studi, con varie diramazioni, specializzazioni e interessi teorici e pratici, fanno parte di un filone di ricerca che prende il nome di biologia sintetica, disciplina che mira a creare nuove forme di vita e nuove funzioni per la vita.

 

Focus 317
DNA a base 8: quattro domande a Steven Benner, di Chiara Palmerini, su Focus 317 (in edicola). | Focus, Mondadori Scienza

Giovane, ma con una storia. Da almeno quindici anni i ricercatori sono in grado di sintetizzare la molecola del DNA a partire dai mattoni chimici da cui sono formate le basi.

 

In varie tappe, assemblandolo base dopo base, si è arrivati a comporre il DNA di organismi semplici: prima virus (con alcune migliaia di coppie di basi), poi batteri (con decine di migliaia di coppie di basi).

 

Lo scienziato (e scaltro imprenditore) Craig Venter è uno dei nomi fin dall’inizio legato a questa impresa. Nel 2006 riuscì a ottenere un batterio dotato di DNA sintetico, chiamato Syn 1.0, privando il microrganismo Mycoplasma mycoides dei suoi geni, e rimpiazzandoli con quelli prodotti un laboratorio. Un altro passo in avanti lo fece nel 2016, quando presentò al mondo Synthia 3.0: un essere vivente con pochissimi geni, giusto quelli senza i quali non riuscirebbe a vivere.

Oggi, il Registry of Standard Biological Parts, fondato nel 2003 al MIT di Boston, contiene oltre 20.000 BioBrick, mattoncini, ovvero pezzi di DNA sintetico con una specifica funzione, da assemblare come fossero un bio-Lego. Mentre il progetto GP-Write, capitanato dal genetista George Church dell’Università di Harvard, mira a replicare i 3,2 miliardi di basi del genoma umano.

 

DNA arricchito. Altri gruppi hanno invece tentato la strada della modifica del DNA creando basi artificiali, inserendole nella molecola naturale, e cercando di fare in modo che sia il DNA stesso, sia il "macchinario" della cellula funzionassero con queste aggiunte.

 

archei, archaea, procarioti, microrganismi, specie di microrganismi
Gli archei (Archaea) sono microrganismi elementari le cui cellule sono senza nucleo (procarioti): nel cosmo dei micorganismi, sono i più antichi. Scoperti alla fine degli anni '70, sono stati trovati in tutti gli habitat. Le relazioni di parentela (filogenesi) ed evolutiva tra procarioti (archei e batteri) ed eucarioti, i due domini in cui sono suddivisi gli organismi viventi, non sono tutt'oggi chiare: recenti studi ipotizzano che gli archei siano all'origine della nascita delle cellule eucariote, il dominio della vita che include gli organismi dotati di nucleo, ossia gli unicellulari (protisti) e i multicellulari (le piante, i funghi, gli animali e quindi noi stessi). Vedi Earth Microbiome Project. | WikiMedia

Nel 2014, il gruppo di Floyd Romesberg, dello Scripps Research Institute (California), ha sviluppato una coppia di basi artificiali, chiamate X e Y, e le ha inserite nel DNA di un batterio che si è poi replicato normalmente (vedi su Focus.it). È stata la dimostrazione che la macchina cellulare è più flessibile di quanto si riteneva, e può ben tollerare l’aggiunta di materiale “straniero”.

 

Ma la ricerca è andata avanti anche con la creazione di molecole più complesse. Il nuovo alfabeto di Benner, chiamato hachimoji, parola giapponese che sta per “otto” (hachi) e “lettere” (moji), contiene quattro nuove basi “non naturali”. Il gruppo ha dimostrato che le nuove basi si riconoscono e si accoppiano in modo affidabile, come avviene normalmente. Inoltre, la struttura che si forma sembra stabile come la molecola naturale, ovunque le basi nuove (chiamate S e B, P e Z) vengano aggiunte nel DNA normale: un risultato che non era per niente scontato. Le difficoltà maggiori, finora, riguardavano infatti la stabilità della molecola, indispensabile per la copia e replicazione del materiale genetico.

 

Codici genetici alieni. Avere arricchito il codice genetico è un risultato ancora molto distante dal creare cellule o organismi sintetici autonomi, in grado di funzionare e replicarsi. Ma questa è la direzione in cui si sta lavorando.

 

In generale, queste ricerche impongono di ripensare che cosa debba essere considerato "vita". L’alfabeto genetico funzionante con otto lettere sembra indicare che, in fondo, la molecola del DNA così come la conosciamo non ha niente di magico o speciale. Se non è tassativo che il codice genetico utilizzi solamente le solite quattro basi del DNA, si potrebbero ipotizzare organismi extra-terrestri sviluppati a partire da un codice fatto da lettere diverse, o in numero diverso. Andando alla ricerca di vita su altri pianeti, dovremmo quindi essere pronti a incontrare (e riconoscere) alfabeti genetici alternativi.

 

la Terra, evoluzione di un pianeta
Steven Benner al meeting The Origins Of Life: la vita sulla Terra è nata dall'RNA? | Vectorpocket / Shutterstock

 

Per quanto riguarda la vita sul nostro pianeta, le stesse ricerche stanno arrivando a una comprensione più dettagliata di come potrebbe essere nata, in che periodo e in quali condizioni, modificando in parte anche le teorie più accreditate.

 

Medicine e sostanze anti-inquinamento. Questioni filosofiche a parte, questi studi hanno anche applicazioni molto concrete, soprattutto nel campo della produzione di farmaci e di biocarburanti. Espandendo l’alfabeto genetico, i ricercatori mirano a creare sequenze di codici che possano svolgere funzioni specifiche, come legarsi al DNA di cellule cancerose per funzionare come strumento di diagnosi. Oppure creare organismi ingegnerizzati che catturino e degradino sostanze inquinanti, o, ancora, creare sequenze genetiche per la produzione di proteine con un’azione farmacologica precisa. La scienza della vita è insomma in evoluzione, verso scenari ancora solo abbozzati.

 

09 Marzo 2019 | Chiara Palmerini