4 passi nella Biologia Sintetica

Da più di 30 anni, gli scienziati riescono modificare i geni di microrganismi, lieviti e cellule animali per far produrre loro molecole che altrimenti non potrebbero essere prodotte con facilità e in grandi quantità tramite sintesi chimica e con tempi compatibili con la cura delle persone, nel caso di composti per uso farmaceutico. La modificazione genetica, che è alla base delle biotecnologie, consiste nel trasferimento e nell’inserzione di uno o pochi geni nel genoma dell’organismo da ingegnerizzare. Negli ultimi anni, grazie a un avanzamento di conoscenze e di tecnologia che ha accelerato i processi di sintesi di sequenze di DNA, si sta esplorando la strada della progettazione e sintesi di piccoli organismi viventi il cui genoma non è esistente in natura e deriva da una modifica sostanziale del genoma dell’organismo di partenza preso come riferimento. Il settore è stato denominato Biologia Sintetica. I vantaggi che si potrebbero ricavare da questo nuovo campo scientifico e tecnologico, all’incrocio tra la biologia molecolare, la genetica e l’ingegneria, potrebbero essere enormi e in diversi settori. Allo stesso modo, gli effetti dei prodotti sintetizzati in laboratorio una volta integrati con sistemi biologici reali sono ancora da esplorare.

Recentemente in Ultime dal Lab di Aula di Scienze abbiamo parlato dell’ultimo progresso della Biologia Sintetica: è stato infatti creato un batterio semisintetico il cui DNA contiene una terza coppia artificiale di basi nucleotidiche. Qui trovate la news.

Che cos’è la Biologia Sintetica?
“La Biologia Sintetica è l’ingegnerizzazione della biologia, ovvero la sintesi di complessi sistemi biologici (o ispirati a sistemi esistenti) che esplicano funzioni che non esistono in natura. Quest’approccio ingegneristico può essere applicato a tutti i livelli gerarchici delle strutture biologiche – dalla singola molecola fino a cellule, tessuti e organismi completi.” Questa è la definizione della Biologia Sintetica che dà il New Emerging Science and Technology High-Level Expert Group della Commissione Europea. Quindi, la Biologia Sintetica studia le parti fondamentali che formano un organismo (come i geni, le cellule, le proteine) per concentrarsi sulle modifiche che si possono effettuare per ottenere nuovi organismi non esistenti in natura, che possano compiere nuove funzioni utili per l’uomo.
La Biologia Sintetica, di fatto, nasce come evoluzione di una parte delle biotecnologie. Ma mentre con le tecniche biotecnologiche già in uso, la modificazione genetica consiste nella modifica di pochi geni in un organismo con lo scopo di ottenere una sola nuova funzione o un solo nuovo prodotto, come nel caso della produzione di insulina umana da batteri di Escherichia Coli ingegnerizzati, con la Biologia Sintetica si cerca di modificare contemporaneamente diversi geni o addirittura tutto il genoma. Lo scopo è alterare interi processi biologici in modo da creare o riprogrammare microorganismi in grado di produrre composti e molecole o ancora più complessi o con tempi e costi minori rispetto a quelli prodotti con le biotecnologie.

La Biologia Sintetica è un campo di ricerca transdisciplinare molto giovane. Nata informalmente già attorno al 2000, solo nel giugno 2004 è stato convocato il primo convegno scientifico sul tema, promosso e ospitato dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) a Boston (USA), che ha segnato ufficialmente la nascita di questo settore di ricerca. La svolta per la nascita della Biologia Sintetica c’è stata quando gli scienziati sono riusciti a sintetizzare piccoli pezzi di DNA in laboratorio. I singoli pezzi di sintesi possono poi essere uniti per creare un’intera sequenza di DNA di qualunque organismo o anche nuove sequenze non esistenti in natura.

Nature ha da poco pubblicato uno speciale sulla Biologia Sintetica, riprendendo articoli già pubblicati e commenti sui vari passi compiuti dal settore, arricchendolo con nuovi contributi che evidenziano lo stato dell’arte attuale nel settore e le possibili ricadute future. Nature pone l’accento sulle competenze nel campo della microbiologia, poiché la maggior parte degli scienziati che lavorano sulla Biologia Sintetica si occupano di microorganismi. Qui potete trovare lo speciale.

Quali sono le strategie fondamentali della Biologia Sintetica?
La Biologia Sintetica cerca di semplificare e standardizzare la biologia in modo che si possano individuare parti biologiche standard base a partire dalle quali ricreare attività biologiche complesse da inserire in cellule già esistenti o progettare e sintetizzare nuovi microorganismi. I componenti biologici base sono chiamati anche mattoni biologici o BioBricks. Fin dalla nascita del settore, è stato messo in piedi dal MIT di Boston un Registro delle Parti Biologiche Standard, che colleziona sequenze di DNA che codificano specifiche funzioni biologiche, cioè i BioBricks. Il Registro accoglie continuamente nuovi “biomattoni” ed è uno degli strumenti più importanti della Biologia Sintetica.
Esistono due approcci principali nella Biologia Sintetica. L’approccio dei mattoni biologici o BioBricks cerca di costruire un organismo intero a partire dai suoi componenti base, un po’ come avviene quando si fa una costruzione con i “Lego”. Il cosiddetto “genoma minimo” è invece la strategia opposta, che consiste nel “togliere pezzi” del genoma di un batterio fino a ottenere il più piccolo numero di geni essenziali e necessari per la vita. In ogni caso, studiare e capire qual è il più semplice set di geni necessari per la vita di un organismo è il primo passo per progettare un batterio artificiale, a cui eventualmente aggiungere specifici componenti biologici base, i BioBrick, perché l’organismo possa essere indirizzato a compiere una determinata funzione.

Andrew Hessel, genetista e microbiologo è uno dei più importanti esperti di Biologia Sintetica. Secondo Hessel, questo settore di ricerca presto rivoluzionerà la vita di tutti così come negli ultimi anni è accaduto con l’informatica e più in generale le tecnologie dell’informazione. In questa presentazione alla Singularity University, spiega cos’è la Biologia Sintetica.


Quali sono gli obiettivi della Biologia Sintetica?
Così come le biotecnologie sono versatili e possono avere svariati campi di applicazione, anche la Biologia Sintetica potrebbe contribuire a diversi settori. Uno dei campi è quello della farmaceutica, in cui si punta a produrre farmaci intelligenti (smart drugs) capaci di arrivare e agire selettivamente solo nelle cellule malate, come nel caso dei tumori. I prodotti della Biologia Sintetica potrebbe poi avere un grande utilizzo in campo ambientale. Organismi o strutture biologiche ingegnerizzati potrebbero infatti agire come sensori per rilevare la presenza di inquinanti o anche di sostanze pericolose come esplosivi in zone a rischio. Questa capacità potrebbe poi essere ulteriormente abbinata all’abilità di degradare le sostanze nocive in composti più semplici e non dannosi per l’uomo e l’ambiente. La cosiddetta “bioremediation” è infatti uno degli obiettivi della Biologia Sintetica e si basa sulla progettazione e modificazione di batteri e altri microorganismi come i funghi per degradare e eliminare sostanze tossiche e inquinanti da terreni o da acque contaminate.
Un’altra applicazione a cui si guarda molto è la produzione di energie rinnovabili e pulite. La sfida è progettare e sintetizzare geni che sovrintendono a complesse vie metaboliche, da introdurre all’interno di microorganismi, in modo che poi possano produrre o convertire energia utilizzabile su larga scala, a partire per esempio dall’energia solare o da composti come l’acqua.
Infine, un altro obiettivo della Biologia Sintetica è costruire parti biologiche integrate in circuiti molecolari che agiscano da circuiti elettronici al fine di ottenere un computer biologico.

Cercare di prevedere quali possano essere i rischi collegati allo sviluppo della Biologia Sintetica è uno degli obiettivi che gli enti regolatori in tema di scienza e tecnologia si stanno ponendo. La Commissione Europea già da diversi anni supporta progetti su questi temi. Uno di questi è stato SynBioSafe, nato per creare una discussione che coinvolgesse non solo gli esperti, ma anche tutti i cittadini europei sugli aspetti etici e della sicurezza della Biologia Sintetica. All’interno del sito del progetto si possono trovare molti materiali multimediali, come interviste a personaggi chiave del mondo della Biologia Sintetica.

Quali sono i traguardi già realizzati dalla Biologia Sintetica?
Vista la sua giovane età, la Biologia Sintetica deve ancora vedere realizzate molte delle sue promesse. La sintesi di un genoma eucariotico che effettivamente funzioni (ovvero esplichi le sue funzioni biologiche) è l’obiettivo ultimo di tutto il settore che ancora non è stato messo a segno. Sono stati però raggiunti traguardi intermedi anche molto importanti:

  • Scienziati dell’Università di Berkeley (California, USA) hanno ingegnerizzato batteri di Escherichia Coli, impiantando geni di lievito Saccharomyces Cerevisiae e geni della pianta Artemisia Annua, in modo da far produrre in grande quantità ai batteri il precursore di un farmaco dalla struttura molto complessa, che serve per la cura anti-malarica: l’Artemisinina. La produzione in commercio è partita appena un anno fa ed è una storia italiana: l’azienda produttrice è la francese Sanofi-Aventis, ma lo stabilimento di produzione prescelto è stato quello di Garessio (Cuneo).
  • Nel 2002 biologi della State University di New York hanno prodotto il primo virus di sintesi, un poliovirus, a partire da piccole sequenze di DNA (oligonucleotidi) sintetiche ordinate via mail. Il virus era altamente letale come il suo omologo in natura.
  • Nel 2010 è stato creato il primo batterio contenente un cromosoma interamente di sintesi, chiamato Mycoplasma Mycodes JCVI- syn 1.0 dagli scienziati o Synthia dai media. Il lavoro, durato quindici anni, è stato portato a termine dal J.Craig Venter Institute.
  • Appena due mesi fa è stato creato il primo cromosoma di lievito sintetico, chiamato SynIII, da un team di biologi sintetici della Johns Hopkins University e della New York University. Il cromosoma sintetico manca della maggior parte dei geni presenti nella sua controparte naturale, ma è ancora perfettamente funzionante in cellule di Saccharomyces Cerevisiae.

Nel suo Blog “Biologia e dintorni”, Lisa Vozza ha raccontato come il biologo Craig Venter, pioniere della biologia sintetica, abbia ottenuto una cellula batterica controllata da genoma sintetico nell’Aprile 2010. Qui trovate il suo racconto passo dopo passo di come Venter sia riuscito nell’impresa dopo numerosi tentativi e anni di studio.

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