La vita in 473 geni: il genoma minimo di Craig Venter

473 geni: questo il numero minimo di sequenze geniche che costituiscono il genoma minimo indispensabile per la vita. Dietro questa scoperta c’è ancora un volta la regia di Craig Venter, che già nel 2010 aveva stupito la comunità scientifica con il primo batterio artificiale, dotato di un genoma completamente sintetizzato in laboratorio. Ora i ricercatori del J. Craig Venter Institute (JCVI) sono riusciti in un’altra importante impresa, quella di generare il batterio sintetico con il più piccolo genoma concepibile, formato solo dai geni strettamente necessari per sostenere la crescita e la riproduzione di un organismo vivente.

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Schema riassuntivo della procedura impiegata per creare la cellula artificiale JCVI-syn3.0 (Immagine: Hutchison III et al. Science 2016).

Alla ricerca del genoma minimo

La cellula è l’unità fondamentale della vita. Le sue funzioni sono guidate dalla combinazione di molti geni, che nell’insieme costituiscono il genoma. Le dimensioni del genoma, così come il numero di geni in esso presenti, variano molto da specie a specie: nell’uomo il numero di geni si aggira intorno ai 25000, ma esistono batteri in grado di sopravvivere con appena qualche migliaio sequenze codificanti. Tra questi, il più parsimonioso dal punto di vista genetico è Mycobacterium genitalium, cui spetta il primato dell’organismo vivente con il genoma più piccolo mai trovato in natura: 482 geni in tutto. E proprio da M. genitalium hanno preso avvio i primi studi per cercare di definire quale potesse essere il minimo comune denominatore genetico indispensabile per la vita. Si può avere vita con un genoma più piccolo ancora? Lo si può sintetizzare, in modo aritficiale, in laboratorio? Dietro questi studi di biologia sintetica vi è un duplice obiettivo: da un lato scoprire tutti i geni indispensabili per la vita (e, nel far questo, portare alla luce funzioni geniche ancora sconosciute); dall’altro, disporre di un supporto per applicazioni sia in ambito medico sia ambientale, come nel caso dei batteri in grado di metabolizzare idrocarburi inquinanti. (Per un ripasso sulla biologia sintetica puoi consultare questo articolo di Aula di Scienze).

 

La nascita di JCVI-syn3.0

Sulla scia dell’entusiasmo della scoperta del 2010, i ricercatori del JCVI di La Jolla, in California, hanno cercato di capire se fosse possibile “ripulire” ancora di più il genoma delle sequenze geniche che non fossero strettamente indispensabili. Dopo alcuni primi tentativi fallimentari, i ricercatori sono ricorsi a un approccio di mutagenesi basata sull’utilizzo di trasposoni: si tratta di un gruppo di sequenze geniche mobili che possono spostarsi all’interno del genoma e, così facendo, possono talvolta interrompere la sequenza di un gene, inattivandolo. Questo meccanismo avviene anche in natura, ma il laboratorio può essere sfruttato per indurre l’inattivazione di un gene: se la cellula continua a sopravvive, si tratterà di un gene non-essenziale per la vita e quindi scartato dal genoma minimo artificiale; se la cellula muore, allora si è di fronte a un gene essenziale, che non può assolutamente mancare nel genoma. Tuttavia, non sempre questa classificazione è così semplice: esistono geni, che il gruppo di Venter ha definito quasi-essenziali, la cui distruzione può avere ripercussioni molto varie (da blande a molto severe, a seconda delle condizioni ambientali).

Dopo aver passato al setaccio numerose combinazioni possibili, ecco quindi nascere JCVI-syn3.0: 473 geni racchiusi in un genoma di appena 531 kb, che una volta trasferito in un “batterio ospite” è stato in grado di sostenerne la crescita e la riproduzione. Fanno parte del gruppetto dei “selezionati”, geni molto conservati tra le specie, come quelli coinvolti nella organizzazione della membrana plasmatica, quelli responsabili della trascrizione e della sintesi proteica, geni importanti per la replicazione del DNA e geni coinvolti nel metabolismo energetico della cellula.
Nel genoma minimo sono compresi anche 149 geni la cui funzione è sconosciuta (o solo in parte riconducibile a funzioni già note): si tratta di uno degli aspetti più interessanti di questo studio, che sottolinea ancora una volta quanto siamo ancora lontani da comprendere la complessità biologica della vita.

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I geni indispensabili per la vita di JCVI-syn3.o, divisi per funzione biologica (Immagine: Hutchison III et al. Science 2016).

Dal Paleoma al Cenoma

La creazione di JCVI-syn3.0 è senza dubbio una di quelle destinate a lasciare il segno nei testi di biologia: dalla genomica descrittiva (quella della scoperta di geni e del sequenziamento del DNA) si sta lentamente approdando alla genomica sintetica, quella in cui un corredo genetico artificiale potrà essere creato ad hoc e trasferito in un organismo ospite. Le applicazioni potrebbero essere moteplici e spaziano dall’ambito medico a quello di salvaguardia dell’ambiente. Quello del genoma minimo è comunque un concetto che va analizzato con cautela, tenendo bene a mente il contesto cui si riferisce.

Come sottolineato dagli autori stessi dell’articolo, il genoma ridotto di syn3.0 è in grado di sostenere la crescita delle cellule in un ambiente permissivo, cioè ricco di tutte le sostanze indispensabili per la loro sopravvivenza. Se alcune di queste sostanze venissero a mancare, altri geni dovrebbero entrare a far parte del corredo genetico della cellula. L’ambiente è quindi una forza selettiva dalla quale non si può prescindere e, osservato dal punto di vista contrario, è proprio il motore della diversità genomica che si osserva nei viventi. L’idea è quindi sempre più quella di passare dallo studio del Paleoma (il genoma che costituisce l’archivio genetico primoridale da cui ha preso origine la vita) a quello del Cenoma (da community genome), ovvero il corredo genetico di una comunità di viventi in grado di garantire l’interazione con l’ambiente e con gli altri membri della specie.

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