Un genoma piccolo così: viaggio nei genomi minimi da M. genitalium a Syn3.0

Quello delle dimensioni del genoma è un argomento che da sempre affascina i genetisti. Basta consultare una delle banche dati di sequenziamento per cogliere l’enorme varietà che esiste tra i viventi in termini di dimensioni del genoma e contenuto di geni. Una cellula umana contiene circa 6 miliardi di coppie di basi, mentre un batterio come E. coli ne possiede appena 4,6 milioni. La sovrabbondanza di informazione genetica negli eucarioti è in gran parte dovuta a regioni non codificanti, la cui funzione sta solo ora iniziando a essere svelata. Se da un lato questo amplifica le potenzialità di un genoma e dell’organismo che lo possiede, dall’altro complica qualsiasi indagine volta a definire il corredo minimo di geni essenziali, ossia indispensabili alla sopravvivenza. Da questo punto di vista, un aiuto prezioso arriva dalle cellule procariotiche, come i batteri, il cui genoma è costituito per il 90% da sequenze geniche codificanti. Ed è proprio dalle cellule batteriche che ha preso avvio lo studio del minimo comune denominatore genetico, quello che racchiude i requisiti genici necessari e sufficienti al mantenimento della vita.

CLTS_genomiminimiJCVI-syn3.0 (in foto) è l’ultimo nato in casa Venter: il suo genoma è circa la metà di quello del progenitore JCVI-syn1.0. (Immagine: Hutchison III C.A. et al. Science 2016).

Il concetto di genoma minimo

La ricerca della più piccola entità in grado di vita autonoma risale alla fine degli anni Cinquanta del secolo scorso, quando il gruppo di ricerca guidato da Harold Morowitz contribuì a identificare i batteri del genere Mycoplasma come le cellule autonome più piccole, per dimensioni ma anche per contenuto di geni. Il primato assoluto spetta a Mycoplasma genitalium, il cui genoma (sequenziato per la prima volta nel 1995 dal JCVI, l’istituto guidato da Craig Venter) contiene appena 517 geni, di cui 482 codificano per proteine e 37 per sequenze di RNA.
Di poco più grande è il genoma di M. pneumonia, un parente stretto di M. genitalium, il cui corredo genetico è formato da 677 geni (di cui 480 sono ortologhi di quelli posseduti da M. genitalium). Fu proprio il confronto tra questi due genomi a far scaturire la domanda che ha guidato la ricerca degli anni a venire: qual è l’assetto genico minimo indispensabile per la vita e quali geni possono definirsi essenziali? Ricorrendo a una tecnica di mutagenesi inserzionale (basata sulla transposon mutagenesis), i ricercatori hanno potuto testare quali geni fossero essenziali e quali avessero solo una funzione accessoria. Questi studi sono recentemente approdati alla creazione di JCVI-syn3.0, la prima cellula batterica dotata di un genoma sintetico minimo, contenente solo i 473 geni indispensabili per la sua sopravvivenza.
Ma perché una cellula dovrebbe possedere geni non essenziali? Ne abbiamo parlato con Giovanni Maga, virologo dell’Istituto di Genetica Molecolare IGM-CNR di Pavia.

Se vuoi ripercorrere le tappe che hanno portato alla scoperta dei primi genomici minimi e alla creazione della prima cellula sintetica, puoi leggere questo articolo di Lisa Vozza. La notizia della scoperta di JCVI-syn3.0 è invece commentata in questa news dell’Aula di Scienze.

Geni essenziali o non essenziali? Questo è il dilemma!

L’idea di cercare – e creare – un genoma minimo si focalizza sul set di geni essenziali per la sopravvivenza di una cellula, ovvero quelli necessari per sostenere il metabolismo basale e le sovrastrutture minime e indispensabili. Proprio come alcune caratteristiche si ritrovano in qualsiasi automobile indipendentemente dal modello (motore, trasmissione, scocca ecc.), questi geni essenziali sono comuni a tutti gli organismi e sono conservati filogeneticamente. Tuttavia, non bisogna dimenticare che un organismo (uni- o pluri-cellulare) non è mai un’entità isolata: il suo assetto genico dipende strettamente dall’ambiente in cui vive, in base al quale si renderanno necessarie funzioni diverse, proprio come una vettura di Formula Uno richiede componenti diverse rispetto a quelle di un fuoristrada.
Il concetto di gene essenziale dipende quindi dal contesto: un gene considerato non essenziale in un certo ambiente può diventarlo se l’ambiente si modifica. Nel caso della cellula JCVI-syn3.0 creata dal gruppo di ricerca di Craig Venter, tra i geni non essenziali ve ne erano molti coinvolti nel metabolismo di zuccheri diversi dal glucosio. La loro eliminazione dal genoma non ha compromesso la sopravvivenza di Syn3.0 solo perché le cellule erano coltivate in un terreno ricco di glucosio; tuttavia, lo stesso intervento sarebbe stato letale per un organismo il cui nutrimento dipendesse da altri zuccheri.
Di fatto, non esiste un assetto genico minimo che consenta la vita cellulare in qualsiasi ambiente. Esistono solo geni senza i quali la vita non può esistere in nessun ambiente, proprio come non può esistere un’ automobile senza un motore. Partendo da un set minimo di geni essenziali, nel corso dell’evoluzione si sono andate via via aggiungendo nuove sequenze geniche (per esempio, mediante duplicazione genica o attraverso trasferimento orizzontale da virus o batteri), permettendo ai diversi organismi di adattarsi all’ambiente in trasformazione.

Che cosa ci fanno 149 geni sconosciuti nel genoma di JCVI-Syn3.0?
syn3_news4Nel genoma minimo di Syn3.0, quattro classi funzionali di geni si sono rivelate essenziali: espressione genica, duplicazione e riparazione del DNA, metabolismo citosolico, struttura e funzione della membrana. Oltre a queste categorie, sono però presenti anche 149 geni di funzione ignota. Per molti di essi è stato possibile risalire ad almeno un’attività biologica (ad esempio enzimatica), ma la precisa via metabolica rimane sconosciuta. I restanti geni, 65 in tutto, non hanno invece rivelato nessuna omologia con altre sequenze conosciute. Un simile risultato non deve però stupire: gli studi di metagenomica, ovvero il sequenziamento massivo del DNA batterico presente nel suolo, rivela che il 50% – 90% dell’informazione genetica è completamente sconosciuta. Nel caso dei virus, oggi conosciamo solo lo 0.1% dell’informazione genetica virale esistente nella biosfera. La stessa incertezza ci riguarda anche molto da vicino, se pensiamo che le funzioni del 98% del DNA umano sono ancora in gran parte oscure.

Genomi minimi virali: imparare dai migliori, per poi superarli

Quando si parla di genomi minimi il primato spetta senza dubbio ai virus. Da anni gli scienziati sono in grado di dirigere la costruzione di particelle virali che potremmo definire sintetiche, nel senso che hanno le caratteristiche programmate dallo sperimentatore. I vettori virali sono gli strumenti ideali per trasferire geni, utilizzabili nella terapia genica o nei vaccini. Tuttavia, i virus sono parassiti cellulari endogeni e la produzione di nuove particelle virali non può prescindere da una cellula ospite e dai suoi apparati metabolici.
La possibilità di generare una cellula sintetica perfettamente autonoma – in grado di nutrirsi, crescere e riprodursi grazie alla sola energia fornita dall’ambiente – aprirebbe possibilità di impiego molto più ampie rispetto ai vettori virali. Disegnare a tavolino il genoma di una cellula offre infatti l’opportunità di dotarla solo delle caratteristiche ottimali per svolgere, in totale autonomia, gli scopi cui è destinata in un determinato ambiente (per esempio, la produzione di una proteina o di un combustibile organico). Il tutto senza dover attendere i tempi molto lunghi dell’evoluzione naturale.
I vantaggi delle cellule sintetiche sono quindi molteplici: sono cellule completamente autonome da altri esseri viventi, sono “preadatte” all’ambiente in cui dovranno vivere e sono progettate per limitare al massimo gli sprechi metabolici e svolgere con la massima efficienza le proprie funzioni.

Come impiegare i genomi minimi?

Il concetto di genoma minimo va di pari passo con quello di cellula sintetica e la combinazione di questi approcci potrebbe avere importanti ricadute non solo in termini di conoscenza scientifica, ma anche di applicazioni pratiche.
Definire il contenuto di informazione genetica necessaria e sufficiente per far sopravvivere e riprodurre una cellula può aiutare a comprendere come le prime forme di vita autonoma siano comparse sulla Terra circa 3,5 miliardi di anni fa. Ma avere a disposizione un set di geni essenziali ha anche un’altra importante implicazione: partendo da un genoma minimo sintetico si potrebbero aggiungere geni ad hoc per generare cellule in grado di svolgere particolari funzioni. Tornando all’analogia automobilistica, il processo assomiglia all’aggiunta di optional al modello base di un auto.
L’ingegneria genetica ha già fornito, almeno in parte, un assaggio delle potenzialità di questo approccio: batteri, lieviti e anche interi organismi animali possono essere indotti a sintetizzare prodotti utili (come farmaci, biocarburanti o anticorpi) che, in condizioni naturali, non produrrebbero. Basti pensare al caso del Golden rice, arricchito in vitamina D, oppure al mais Bt resistente ai parassiti. Tuttavia, in questi casi i geni di interesse sono stati aggiunti a un genoma naturale che, proprio come tutti i genomi naturali, è dotato di funzioni ridondanti. Con la biologia sintetica si può invece progettare a tavolino il genoma minimo ottimale per lo scopo desiderato, evitando che la cellula sintetica disperda energie in funzioni metaboliche non essenziali e aumentando così l’efficienza dell’intero processo. Già oggi è possibile instaurare all’interno delle cellule vie metaboliche che non esistono in natura, creando microrganismi che funzionano come bioreattori: una soluzione molto più economica e meno inquinante di molti impianti chimici tradizionali.

Mettere in campo la ricerca sui genomi minimi
Definire il genoma minimo ed essenziale per la vita non è solo un vezzo da genetisti e filosofi. Disporre di un corredo genico ai minimi termini apre la strada a diversi filoni di ricerca, che possono essere raggruppati in tre categorie.

  1. La scoperta di nuove sequenze indispensabili per la vita e di nuove funzioni geniche. I 149 geni sconosciuti di JCVI-syn3.0 lo dimostrano: le funzioni geniche essenziali alla vita sono solo in parte conosciute e circa il 30% del genoma minimo creato dal gruppo di Craig Venter ha lasciato i ricercatori a brancolare nel buio. Questi geni, tanto quanto sono essenziali per la vita, potrebbero esserlo nell’instaurare una malattia. Nella ricerca biomedica, una nuova funzione genica o una nuova via metabolica equivalgono a nuovi potenziali bersagli terapeutici, verso i quali potrebbe indirizzarsi la ricerca di farmaci di nuova generazione.
  2. Ottimizzare la generazione di cellule sintetiche. Conoscere il potenziale di un genoma minimo e decifrarne le funzioni dal primo all’ultimo gene non può che portare a un ulteriore perfezionamento nel design di genomi ancora più snelli e versatili, da utilizzare per la creazione di cellule sintetiche da destinare ai diversi scopi.
  3. Applicazioni in ambito medico e ambientale. Le applicazioni pratiche che gli scienziati ipotizzano per le cellule sintetiche sono svariate: alcune di queste rappresenterebbero una versione deluxe e più efficiente di organismi transgenici, come per esempio quelli specializzati nella produzione di farmaci o resistenti a parassiti o a condizioni di ambientali estreme. Ma in futuro le cellule sintetiche potrebbero rappresentare una preziosa sorgente di biocombustibili e di altre fonti di energia pulita, oltre che contribuire a “catturare” il diossido di carbonio e a ripulire l’atmosfera.

Il futuro delle cellule sintetiche: alcune riflessioni sulla sicurezza

La prospettiva di liberare cellule sintetiche nell’ambiente richiede che il sistema sia a prova di sicurezza, ovvero che sia in grado di controllare l’insorgenza di eventuali mutazioni nel genoma sintetico di cui è dotata la cellula.
Da un punto di vista chimico-fisico, e quindi anche delle sue proprietà biologiche, non c’è alcuna differenza tra un genoma “sintetico” e uno “naturale”. Entrambi sono costituiti da nucleotidi; la sola differenza è che nei genomi sintetici i nucleotidi sono assemblati in modo automatizzato, mentre nei genomi naturali è l’apparato enzimatico della cellula a svolgere questa funzione. Il tasso di mutazione di un genoma sintetizzato chimicamente e duplicato all’interno di una cellula sarà dunque analogo a quello del suo omologo naturale, poiché dipende solo dall’apparato che lo duplica e dalle condizioni ambientali in cui il processo si svolge. Ovviamente, se il genoma è “minimo”, l’organismo sarà più sensibile alle mutazioni, nel senso che non avrà, come succede spesso nei genomi naturali, geni ridondanti di riserva a cui attingere per compensare la perdita di una funzione a causa di una mutazione. Per certi versi, una cellula minima è più “delicata” e non “più pericolosa” di una cellula naturale. In ogni caso, proprio come per gli OGM, è possibile dotare la cellula sintetica di sistemi di sicurezza che ne impediscano la diffusione incontrollata. Tornando all’esempio iniziale dei geni per il metabolismo degli zuccheri, è possibile rendere la cellula sintetica dipendente da un nutriente essenziale, non presente nell’ambiente: per vivere e riprodursi, la cellula avrà bisogno che questo nutriente sia fornito dallo sperimentatore; in caso contrario le sue funzioni metaboliche si arresteranno e la cellula si estinguerà.

Immagine Box e banner: Shutterstock

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