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Il batterio Escherichia il primo batterio con XNA

DNA e RNA sono le molecole alla base della vita che conosciamo noi. Sono le uniche molecole in grado di duplicarsi e trasmettere i caratteri ereditari ai discendenti di tutte le forme di vita terrestri. Le lettere di questo “codice” ereditario sono i nucleotidi e le parole che essi formano sono i geni. L’intero vocabolario che comprende tutti i geni di un individuo costituisce il genoma. Alcuni gruppi di ricerca hanno cercato di “costruire” molecole in grado di autoduplicarsi in laboratorio.

Sono trascorsi ormai sette anni dall’annuncio di Craig Venter, sulla rivista Science, della costruzione in laboratorio di una cellula con DNA sintetico. Per molto tempo non si è saputo più nulla. Qual è situazione?

C’è stata un’indagine di una Commissione voluta dal Presidente USA Obama sui rischi per la salute e la sicurezza delle applicazioni di questa scoperta. La paura principale è sempre quella di un potenziale rischio batteriologico. Nelle intenzioni del gruppo di ricerca di Venter invece c’è la creazione di batteri da utilizzare nelle situazioni di grave inquinamento ambientale, la produzione di farmaci e vaccini sempre più efficaci. Lo scopo non è certo quello di creare la vita artificiale. Si tratta di una cosa troppo complessa e rischiosa: non vale  neanche la pena di ipotizzarla?

Quest’unica cellula con DNA sintetico venne chiamata Mycoplasma laboratorium ed ha le dimensioni di un batterio. Il suo DNA è circa 3000 volte più piccolo e semplice di quello di una cellula umana. Questo dato dovrebbe già bastare per stabilire le dovute proporzioni e differenze. Il batterio è stato svuotato del suo DNA originario ed è stato sostituito da quello artificiale. Il DNA sintetico sarebbe in grado di dare comandi per svolgere un certo numero di funzioni e questo lo rende particolarmente interessante, ma le possibili applicazioni concrete sono ancora da venire. Si è trattato di utilizzare una cellula preesistente. Invece è ben più complessa la costruzione di un’intera cellula con tutte le sue strutture e organuli nucleari e citoplasmatici.

Il batterio Escherichia il primo batterio con XNA

Un batterio sintetico riesce a vivere normalmente nonostante abbia un Dna compresso, come si fa quando un file troppo pesante viene ‘zippato’. Così ridotto, il libretto della vita del batterio adesso ha delle pagine libere, sulle quali biologi e genetisti possono scrivere qualcosa di nuovo, come istruzioni che permettano ai batteri di digerire sostanze inquinanti, oppure di produrre farmaci o bioplastiche amiche dell’ambiente. Pubblicato sulla rivista Nature, il risultato è stato ottenuto dalla ricerca coordinata dal Laboratorio del Medical Research Council (Mrc) a Cambridge, lo stesso dove all’inizio degli anni ’50 è stata scoperta la struttura a doppia elica del Dna.

batterio Escherichia
Il batterio Escherichia coli (fonte: NIAID, Flickr)

E’ un nuovo traguardo lungo la strada della vita sintetica, che nel 2007 aveva portato al primo essere viventi semi-sintetico, chiamato Syn 1.0. Da allora la capacità di progettare il Dna al computer è progredita un passo dopo l’altro. Nel 2012 lo stesso laboratorio che oggi è riuscito a ‘zippare’ il codice genetico aveva ottenuto il primo Dna completamente sintetico, chiamato Xna.

Il Dna ‘zippato’ è la nuova tappa. Il gruppo di ricerca guidato da Jason W. Chin ha ricodificato l’intero genoma di un batterio molto comune, chiamato Escherichia coli. Il nuovo ‘libretto di istruzioni’ del batterio sintetico ha un numero inferiore di parole, ognuna formata da una diversa combinazione di tre delle quattro lettere che costituiscono l’alfabeto della vita e indicate con le lettere A, C, G e T.

Ogni tripletta di lettere, chiamata ‘codone’, contiene istruzioni vitali, come quelle che danno il via libera all’inserimento di un aminoacido o quelle che bloccano la produzione di una proteina. Allo stato naturale, il codice genetico comprende 64 codoni per controllare la produzione delle proteine, che sono fatte di 20 aminoacidi.

Vale a dire che più codoni controllano gli stessi aminoacidi, con una ridondanza che è fra le principali caratteristiche del codice genetico. E’ stata quest’ultima a essere stata eliminata nel batterio sintetico, il cui libretto di istruzioni ha 61 parole anziché 64 e, di queste, sono 59 quelle che controllano la produzione dei 20 aminoacidi. Il risultato è la prova di principio che il codice genetico può essere compresso senza compromettere la capacità di sopravvivere di un organismo.

Il batterio sintetico riesce infatti a vivere normalmente anche se il suo codice è compresso. A questo punto si è creato lo spazio che mancava nel quale in futuro potranno essere inserite nuove istruzioni genetiche per ottenere organismi capaci di svolgere funzioni finora mai viste in natura.

Acido xenonucleici (o XNA)

Sono sintetici analoghi degli acidi nucleici che hanno basi diverse dagli acidi nucleici naturali DNA e RNA . A partire dal 2011, almeno sei tipi di zuccheri sintetici hanno dimostrato di formare dorsali di acido nucleico che possono immagazzinare e recuperare informazioni genetiche. La ricerca è ora in corso per creare polimerasi sintetiche per trasformare L’XNA. Lo studio della sua produzione e l’applicazione ha creato un campo conosciuto come xenobiologia .

Sebbene l’informazione genetica è ancora memorizzate nelle quattro coppie di basi canoniche (a differenza di altri analoghi di acidi nucleici ), DNA polimerasi naturale non possono leggere e duplicare queste informazioni. Quindi l’informazione genetica immagazzinata in XNA è “invisibile” e quindi inutile agli organismi naturali basati sul DNA. Almeno sembrava

Sfondo

La struttura del DNA fu scoperta nel 1953. Intorno agli inizi degli anni 2000, i ricercatori hanno creato una serie di strutture esotiche simili al DNA, XNA. XNA è un polimero sintetico che può trasportare le stesse informazioni del DNA, ma con diversi costituenti molecolari. La “X” in XNA sta per “xeno”, che significa estraneo o alieno, che indica la differenza nella struttura molecolare rispetto al DNA o all’RNA.

Non è stato fatto molto con XNA fino allo sviluppo dell’enzima polimerasi speciale , in grado di copiare XNA da un modello di DNA e di copiare XNA nel DNA. Pinheiro et al. (2012), ad esempio, ha dimostrato una tale polimerasi capace di XNA che funziona su sequenze di ~ 100pb di lunghezza.  Più recentemente, i biologi sintetici Philipp Holliger e Alexander Taylor, entrambi dell’Università di Cambridge, sono riusciti a creare XNAzymes, l’equivalente XNA di un ribozima, enzimi fatti di DNA o acido ribonucleico; Ciò dimostra che gli XNA non solo memorizzano le informazioni ereditarie, ma possono anche fungere da enzimi, aumentando la possibilità che la vita altrove possa essere iniziata con qualcosa di diverso dall’RNA o dal DNA.

Struttura

Strati di DNA e RNA sono formate concatenando lunghe catene di molecole chiamate nucleotidi . Un nucleotide è costituito da tre componenti chimici: un fosfato , un gruppo di zucchero cinque atomi di carbonio (questo può essere un desossiribosio zucchero – che ci dà la “D” in DNA – o ribosio zucchero – la “R” in RNA) , e uno dei cinque basi standard ( adenina , guanina , citosina , timina o uracile ).

Struttura XNA
Questa immagine mostra le differenze nelle dorsali dello zucchero usate negli XNA rispetto al DNA e all’RNA comuni e utilizzati

Le molecole che pezzo insieme per formare i sei acidi nucleici xeno sono quasi identiche a quelle di DNA e RNA, con una sola eccezione: in XNA nucleotidi, i desossiribosio e ribosio zucchero gruppi di DNA e RNA sono state sostituite con altre strutture chimiche. Queste sostituzioni rendono gli XNA funzionalmente e strutturalmente analoghi al DNA e all’RNA nonostante siano innaturali e artificiali.

XNA esibisce una varietà di cambiamenti chimici strutturali rispetto alle sue controparti naturali. I tipi di “XNA” sintetici creati finora includono:

  • Acido nucleico 1,5-anidroesitolo ( HNA )
  • Acido nucleico del cicloesene ( CeNA )
  • Acido nucleico del threose ( TNA )
  • Acido nucleico glicolico ( GNA )
  • Acido nucleico bloccato ( LNA )
  • Acido nucleico del peptide ( PNA )
  • FANA

L’HNA potrebbe essere usato per agire potenzialmente come un farmaco in grado di riconoscere e legarsi a sequenze specifiche. Gli scienziati sono stati in grado di isolare gli HNA per il possibile legame delle sequenze che colpiscono l’HIV. Con l’acido nucleico del cicloesene, la ricerca ha dimostrato che i CeNA con stereochimica simile alla forma D possono creare duplex stabili con se stesso e l’RNA. È stato dimostrato che i CeNA non sono così stabili quando formano i duplex con il DNA.

Implicazioni

Lo studio di XNA è destinato a non dare agli scienziati una migliore comprensione del biologico evoluzione in quanto si è verificato storicamente, ma piuttosto di esplorare i modi in cui possiamo controllare e anche riprogrammare il corredo genetico di organismi biologici andare avanti. XNA ha mostrato un potenziale significativo per risolvere il problema attuale della inquinamento genetico in organismi geneticamente modificati . Sebbene il DNA sia incredibilmente efficiente nella sua capacità di immagazzinare informazioni genetiche e presti complesse diversità biologiche, il suo alfabeto genetico a quattro lettere è relativamente limitato. L’uso di un codice genetico di sei XNA anziché delle quattro basi nucleotidiche di DNA presenti in natura offre infinite opportunità per la modificazione genetica e l’espansione della funzionalità chimica.

Lo sviluppo di varie ipotesi e teorie circa XNAs aver alterato un fattore chiave nella nostra attuale comprensione degli acidi nucleici: che ereditarietà ed evoluzione non sono limitati a DNA e RNA come una volta pensiero, ma sono semplicemente processi che hanno sviluppato da polimeri capaci di informazioni memorizzare. Le indagini sugli XNA consentiranno ai ricercatori di valutare se il DNA e l’RNA sono i mattoni più efficienti e desiderabili della vita, o se queste due molecole sono state scelte casualmente dopo essersi evolute da una più ampia classe di antenati chimici.

Applicazioni

Una teoria dell’uso di XNA è la sua incorporazione in medicina come agente che lotta contro la malattia. Alcuni enzimi e anticorpi che sono attualmente somministrati per vari trattamenti di malattia sono ripartiti troppo velocemente nello stomaco o sangue. Poiché XNA è estraneo e poiché si ritiene che gli esseri umani non abbiano ancora sviluppato gli enzimi per abbatterli, gli XNA potrebbero essere in grado di fungere da controparte più duratura delle metodologie di trattamento basate sul DNA e sull’RNA attualmente in uso. 

Esperimenti con XNA hanno già permesso la sostituzione e l’ingrandimento di questo alfabeto genetico, e gli XNA hanno mostrato complementarità con i nucleotidi di DNA e RNA, suggerendo il potenziale per la sua trascrizione e ricombinazione. Un esperimento condotto presso l’Università della Florida ha portato alla produzione di un XNA aptamer dal AEGIS-SELEX (sistema di informazione genetica artificialmente ampliato – evoluzione sistematica di ligandi di esponenziale arricchimento) metodo, seguito dal successo di legame ad una linea di cancro al seno cellule. Inoltre, esperimenti sul modello del batterio E. coli hanno dimostrato la capacità di XNA di servire come modello biologico per il DNA in vivo .

In andare avanti con la ricerca genetica sul XNAs, diverse questioni devono entrare in considerazione per quanto riguarda la biosicurezza, la biosicurezza , l’etica, la governance e / regolazione. Una delle questioni chiave è se XNA in un in vivo ambiente sarebbe mescolarsi con il DNA e l’RNA nel suo ambiente naturale, rendendo così gli scienziati non sono in grado di controllare o prevedere le sue implicazioni nella genetica mutazione.

XNA ha anche potenziali applicazioni da utilizzare come catalizzatori , tanto come RNA ha la capacità di essere utilizzato come enzima . I ricercatori hanno dimostrato XNA è in grado di fendere e legare il DNA, RNA e altre sequenze XNA, con la maggior parte delle attività essendo XNA reazioni catalizzate sulle molecole XNA. Questa ricerca può essere utilizzata per determinare se il ruolo del DNA e dell’RNA nella vita è emerso attraverso processi di selezione naturale o se si è trattato semplicemente di un evento casuale.

 

Riferimenti e approfondimenti

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