Lo sforzo di saltare l'evoluzione della rana e costruire nuovi tipi di vita risulta essere più complesso della lettura e della scrittura del DNA. Illustrazione di Daniel Zender

All'interno della corsa per costruire la vita da zero

I biologi sintetici mirano a trasformare il mondo con organismi artificiali. Cosa ci vorrà per arrivarci?

Nel 2016, i ricercatori del J. Craig Venter Institute hanno annunciato di aver creato una forma di vita nuova di zecca: un batterio con soli 473 geni. Conosciuta come Syn 3.0, la cellula aveva un genoma più piccolo di quello di qualsiasi forma di vita trovata in natura. Fu celebrato come un traguardo storico, che annunciava una nuova era in cui gli scienziati avrebbero usato il codice genetico per creare forme di vita dei designer. La vita sintetica, proclamata Venter, era una realtà. "Sono stato coinvolto nella costruzione", dice.

Non tutti erano d'accordo - allora o ora. Per realizzare Syn 3.0, il team di JCVI ha sintetizzato repliche di genomi da batteri naturali e le ha collocate in cellule viventi il ​​cui genoma era stato rimosso. Quindi hanno portato via i geni, uno per uno, fino a quando le cellule non potevano più funzionare.

Il risultato del JCVI è stato il culmine del "lavoro eroico", afferma Drew Endy, biologo sintetico della Stanford University. Ma non conta davvero come vita artificiale.

Il punto di farlo in questo modo era determinare sistematicamente quali geni sono essenziali per la vita. Il risultato, una sorta di forma di vita minima praticabile, ha lasciato molte domande importanti senza risposta. Tra questi: nessuno sa cosa fanno 149 dei 473 geni essenziali. Ciò che il team di Venter ha fatto nel 2016, suggeriscono Endy e altri, è stato come copiare un romanzo a mano. Il processo offre importanti indizi sulla struttura di una narrazione, ma non è lo stesso che sapere come scrivere un libro completamente nuovo.

Nella mente dei puristi della vita artificiale, i ricercatori saranno in grado di rivendicare il successo solo quando avranno prodotto una cellula perfettamente funzionante da molecole sintetizzate chimicamente. Quella cellula dovrà riprodursi, sostenere il proprio metabolismo e adattarsi all'ambiente. E gli scienziati dovranno capire cosa fanno tutti i geni delle cellule.

Se il tuo obiettivo è creare nuove forme di vita da zero, in altre parole, devi fare di più che riprodurre semplicemente ciò che già esiste. Questa è fondamentalmente solo un'imitazione cieca, suggerisce Kate Adamala, biochimica dell'Università del Minnesota, Twin Cities. Copiando tutte le parole, dice: "Potrei dire", ho scritto Cento anni di solitudine "e tecnicamente l'ho scritto. Ma non capivo come. "

La biologia sintetica è un campo di possibilità strabilianti. Modificando i genomi dei microbi, i bioingegneri potrebbero produrre colture a prova di virus, computer biodegradabili da impiantare nel nostro cervello o cellule che potrebbero aggiungere nutrienti al suolo marziano e rendere abitabile il Pianeta Rosso. Queste possibilità sono così evocative che ogni nuovo passo in avanti suscita sia speranze che preoccupazioni per un mondo su misura pieno di organismi ingegnerizzati che potrebbero curare malattie e salvare l'ambiente, o scatenare l'evoluzione con conseguenze incontrollabili.

"La lettura del codice genetico è molto semplice ora", afferma Venter. "Scrivere tutto il codice genetico - è un livello diverso".

Ma il campo ha un problema di identità, con un traguardo incerto confuso da una serie disparata di motivazioni. E quelle visioni contrastanti riflettono un problema fondamentale nella valutazione del progresso della biologia sintetica: anche se la ricerca inizia a portare nuove invenzioni nel mondo, nessuno è d'accordo su quale dovrebbe essere l'obiettivo finale del campo, il che significa che non c'è consenso su come arrivarci.

Perché ci sono così tante diverse definizioni di successo, le stime per quando avremo una vera vita artificiale vanno da cinque anni, a 1.000, a mai. "C'è ambiguità nella comunità riguardo a ciò che è possibile", afferma Endy. La ricerca della vita artificiale è anche sospesa alla domanda più elementare di tutte: qual è la vita in primo luogo?

La loro cosiddetta vita

Per alcuni scienziati, Synbio avrà creato la vita artificiale se riuscirà a disporre il DNA in nuove combinazioni su larga scala, aggiungendo o sottraendo centinaia di geni alla volta, anziché le modifiche a singolo gene ora possibili con l'ingegneria genetica. Queste manipolazioni spingeranno i confini di ciò che la vita può essere, creando nuove forme e funzioni. Quell'idea di vita artificiale - organismi nuovi e funzionali con combinazioni geniche mai esistite prima - è spesso motivata da obiettivi pratici di ingegneria: costruire cose come cellule che possono ripulire i rifiuti tossici, somministrare farmaci o combattere la resistenza agli antibiotici.

Per altri, l'obiettivo finale è più elementare: usare gli strumenti della biologia sintetica per conoscere le origini della vita o capire cosa cercare nella ricerca della vita su altri pianeti. Questa definizione di vita artificiale richiede che gli scienziati realizzino tutte le parti e le assemblino con una comprensione molto più profonda di come funziona ciascun componente e di come tutti interagiscono.

Anche i metodi differiscono. Il team di Venter ha adottato un approccio dall'alto verso il basso, smantellando le forme di vita per ottenere informazioni su come funzionano. Per capire veramente come funziona ciascun componente, altri scienziati stanno usando una strategia dal basso verso l'alto per mettere insieme i pezzi in provette per innescare una cella di lavoro. L'ambizioso progetto Yeast 2.0, ad esempio, mira a sintetizzare da zero tutti i 16 cromosomi (e 12 milioni di coppie di basi) di una cellula di lievito. Finora, i ricercatori hanno ricostruito sei dei 16.

L'impresa tecnicamente impegnativa di sintetizzare un intero genoma del lievito offrirebbe nuove intuizioni sull'evoluzione, con potenziali usi nell'agricoltura e nella produzione di etanolo. Ma progetti come questi richiedono agli scienziati di affrontare alcune delle domande profonde senza risposta in biologia e genetica.

Come dimostrato dall'esperimento JCVI, ad esempio, oltre 100 dei geni che sono chiaramente necessari per la vita sono enigmi, la loro funzione e il loro scopo sono ancora sconosciuti. Inoltre, il modo in cui i geni sono gestiti è ancora in gran parte un mistero. Un semplice processo metabolico potrebbe richiedere cinque fasi per elaborare una proteina necessaria per la vita e gli scienziati possono scoprire in dettaglio con precisione quali geni ed enzimi sono coinvolti in ciascuna fase. Ma senza sapere cosa innesca, regola, controlla o inibisce ogni fase del percorso, non capiranno mai come prendere il controllo del processo e mantenere in vita un organismo. Nonostante molte scoperte che hanno prodotto strumenti precisi per riparare e modificare il DNA, gli scienziati non possono ancora spiegare come i geni interagiscono tra loro o cosa li fa accendere o spegnere. "La lettura del codice genetico è molto semplice ora", afferma Venter. "Scrivere tutto il codice genetico - è un livello diverso".

Quando la capacità di sequenziare i genomi è diventata più rapida ed economica, ha iniziato a sembrare solo una questione di tempo prima che gli scienziati fossero in grado di riprogrammare le cellule come preferivano.

A tal fine, il team JCVI ha analizzato la biologia dei geni essenziali e il modo in cui dipendono l'uno dall'altro. Un gene che all'inizio non sembrava necessario si rivelò essenziale per la funzione di un altro gene, afferma Venter, aggiungendo che esiste un documento su questa co-dipendenza che è ora in lavorazione. "Non l'abbiamo risolto completamente, ma abbiamo fatto molta strada", afferma.

In un certo senso, tuttavia, questo progresso è fallito. Invece di chiarire cos'è la vita e come realizzarla, la nuova era della bioingegneria ha creato confusione su ciò che si qualifica come vivente e quale sia la differenza tra reale e artificiale. "Non solo non abbiamo risposto alle domande precedenti, ma abbiamo generato tutta una serie di nuove domande che non avremmo mai nemmeno immaginato prima", afferma Robert Dorit, un biologo evoluzionista dello Smith College di Northampton, nel Massachusetts. "Non stiamo asciugando i bordi qui. Siamo proprio nel ventre della bestia. "

Questa è la vita reale o solo una falsificazione?

L'idea che un giorno le persone potrebbero essere in grado di creare la vita da zero risale almeno agli inizi degli anni '10, quando presumibilmente il biofisico francese Stéphane-Armand Nicolas Leduc è stato il primo a usare le parole "biologia sintetica". Leduc è stato ispirato da un collega che aveva usato materiali inorganici per sintetizzare l'urea, una molecola organica trovata nelle urine dei mammiferi. Oggi, sintetizzare l'urea è un esercizio di chimica a livello universitario. Allora, è stato un risultato drammatico. All'epoca, sembrava al di là del regno della possibilità di creare versioni artificiali delle molecole prodotte da cellule viventi, afferma Floyd Romesberg, un biologo chimico dello Scripps Research Institute di La Jolla, in California. “Alcune persone credevano di aver bisogno di una scintilla di vita, un dio o una sorta di forza vitale. Quindi un chimico ne ha creato uno ", afferma Romesberg. "Quel tipo di ha infranto il confine tra inanimato e animato."

La moderna biologia sintetica è nata circa 15 anni fa con una fusione di idee e tecniche in ingegneria, biologia molecolare, biotecnologia e altri campi. Quando la capacità di sequenziare i genomi è diventata più rapida ed economica, ha iniziato a sembrare solo una questione di tempo prima che gli scienziati fossero in grado non solo di leggere il codice, ma di usare il DNA per riprogrammare le cellule come preferivano, proprio come biologi e chimici delle generazioni precedenti alla fine imparò a sintetizzare molecole organiche non presenti in natura.

Parte di questa riprogrammazione sta già avvenendo nel laboratorio di Venter e altrove. Nel 2014, Romesberg e colleghi hanno sintetizzato due nuove "lettere" nucleotidiche che potrebbero essere integrate con le basi A, T, G e C del DNA. Nuovi nucleotidi aprono la possibilità che il DNA possa codificare per proteine ​​completamente nuove con forme nuove che consentono loro di svolgere nuove funzioni.

Nel 2017, posizionando strategicamente quelle lettere innaturali all'interno di un genoma altrimenti naturale, il gruppo di Romesberg ha creato nuovi aminoacidi e nuove proteine ​​con potenziali applicazioni mediche. Una variazione sintetica della proteina interleuchina-2, ad esempio, sta dimostrando risultati promettenti come farmaco antitumorale con minori effetti collaterali, afferma Romesberg, la cui società di avvio Synthorx ha recentemente presentato una IPO alla ricerca di $ 100 milioni per produrre il farmaco.

In generale, i genomi semi-sintetici come questi che incorporano circa duecento nucleotidi innaturali in un genoma sostanzialmente naturale sono più fattibili degli organismi completamente sintetici, afferma Romesberg. Altre applicazioni pratiche potrebbero includere enzimi detergenti per bucato che resistono al calore elevato o sostituzioni artificiali per combustibili fossili.

Tra un decennio o più, prevede Church, avremo una "vita speculare", organismi le cui proteine ​​si ripiegano in configurazioni opposte, rendendole immuni da virus, predatori ed enzimi.

Ma altri gruppi si stanno tuffando proprio nella sfida intensa (e potenzialmente futile) di provare a costruire la vita da zero. Uno sforzo collaborativo open source chiamato Build-A-Cell mira a costruire una cellula completamente nuova in grado di riprodursi, che gli scienziati possano capire fino al punto di spiegare esattamente cosa fa ogni gene. All'inizio quella cellula sarà probabilmente un semplice procariota come un batterio, ma non ci sono limiti a ciò che gli scienziati possono tentare. "L'obiettivo dichiarato di Build-A-Cell è che non abbiamo un obiettivo", afferma Adamala, uno dei sei membri del gruppo direttivo. "Tutti quelli che pensano di voler costruire una cellula artificiale sono i benvenuti."

Endy descrive Build-A-Cell, che include decine di gruppi di ricerca in tutto il mondo, come una "comunità di amore", non una razza o una competizione. Lo sforzo, che incorpora sia le strategie bottom-up che top-down (incluso il gruppo di Venter), esaurisce i gruppi Slack, i documenti di Google e una politica senza segreti. Gli sforzi paralleli in Europa includono Fabricell e BaSyC, o la costruzione di una cellula sintetica. Finora, i ricercatori hanno compiuto progressi verso la sintesi dei singoli componenti delle cellule, inclusi ribosomi e membrane, i primi passi verso l'obiettivo finale del gruppo di rendere la vita dalla materia non vivente. Quello che manca ancora, dice Adamala, è un modo per combinare tutti questi sottosistemi in un tutto.

In parallelo, George Church, genetista di Harvard e del Massachusetts Institute of Technology, ha co-fondato Genome Project-Write (GP-Write), una collaborazione internazionale per sintetizzare grandi genomi, compresi quelli per piante e umani. Mettere nuovi genomi nelle cellule e negli organismi esistenti, secondo loro, rivoluzionerà la medicina e l'agricoltura, creando linee cellulari con immunità al cancro e ai virus o colture resistenti ai parassiti. In una riunione di maggio, i collaboratori di GP-Write hanno discusso di progetti in corso, come uno sforzo per creare queste cellule resilienti ricodificando tratti di DNA su cui i virus si affidano per replicarsi nelle cellule.

Sostituendo circa l'uno per cento del genoma in una linea cellulare umana, Church e il collega Jef Boeke della NYU Langone Health pensano di poter creare una piattaforma per la produzione di vaccini e farmaci che sarebbero resistenti alla contaminazione da virus e prioni, quelle misteriose proteine ​​infettive. Vogliono anche progettare suini per renderli immuni alle malattie e far crescere organi resistenti ai virus che sono ultra-sicuri per il trapianto nell'uomo. Sono già iniziati i test di trapianto di suini ingegnerizzati nei primati, ma Church stima che le cellule di maiale resistenti ai virus siano tra i 3 ei 10 anni. Già, lui e i suoi colleghi hanno costruito un ceppo di E. coli, apportando 321 cambiamenti nei batteri che lo aiutano a resistere ai virus. Tuttavia, è un grande salto da lì alle migliaia di cambiamenti che sarebbero necessari per proteggere una cellula umana a prova di virus.

In fondo, Church ha idee molto più grandiose. Tra un decennio o più, prevede, avremo una "vita speculare", organismi le cui proteine ​​si ripiegano in configurazioni opposte, rendendole immuni da virus, predatori ed enzimi, che non sarebbero in grado di riconoscerli. Le applicazioni potrebbero eventualmente includere cotone, seta, legno e corde resistenti alla biodegradazione, il che renderebbe inefficaci gli enzimi digestivi di funghi, vermi, insetti e batteri. Forse un giorno avremo cellule vegetali o animali a immagine speculare che sarebbero completamente resistenti a tutti i patogeni conosciuti.

"È abbastanza divertente. Siamo impegnati a creare presumibilmente la vita e non sappiamo cosa sia la vita ".

Per Church e altri come lui, queste meraviglie della bioingegneria sono il vero vantaggio della biologia sintetica e la ricerca della vita artificiale. E una volta che i benefici della vita sintetica diventano evidenti, la Chiesa sospetta che le persone smetteranno di preoccuparsi che gli scienziati stiano "giocando a Dio", una critica comune. "La maggior parte delle cose di cui le persone erano preoccupate in un momento o nell'altro - come le ferrovie, la refrigerazione e la fecondazione in vitro - passano attraverso un brevissimo periodo di tempo durante il quale sono inaccettabili, di solito quando sono tecnicamente impossibili. È facile opporsi a qualcosa che non funziona ", afferma Church. "Nell'istante in cui funziona e si dimostra sicuro ed efficace, all'improvviso è difficile resistere."

Ma anche le creazioni più meravigliose lascerebbero domande aperte, afferma Adamala. Lavorando insieme, prevede, gli scienziati scopriranno presto come sintetizzare sistemi biochimici auto-replicanti, in evoluzione, in grado di mantenere il proprio metabolismo. Ma è improbabile che la comunità sia presto d'accordo sul fatto che ciò si qualifichi come vita - o anche su cosa significhi essere vivi. Se una cellula non ha metabolismo ma può replicarsi, fa il grado? Se si adatta all'ambiente ma non riesce a riprodursi, è la vita o qualcos'altro? "Abbiamo sempre queste discussioni", afferma. "È abbastanza divertente. Siamo impegnati a creare presumibilmente la vita e non sappiamo cosa sia la vita ".

Oltre alle questioni profonde, ci sono anche questioni pratiche, come il prezzo elevato. Sintetizzare il DNA costa ancora circa un dollaro per coppia di basi, afferma Venter. Ciò equivale a oltre mezzo milione di dollari solo per le 531.560 coppie di nucleotidi nel batterio del gene 473 del suo team. "Il costo della sintesi deve semplicemente scendere di un altro ordine di grandezza affinché le persone possano fare gli esperimenti", afferma Venter. "Invece di progettarne uno, costruirlo, testarlo e cercare di capire cosa è andato storto, dobbiamo essere in grado di multiplexarlo."

Dichiarare il successo potrebbe eventualmente dipendere dall'attenuazione delle aspettative, aggiunge Venter. Proprio come i fornai usano ingredienti standard come farina e zucchero quando cuociono "da zero", alcuni biologi sintetici probabilmente faranno sempre affidamento su parti cellulari e molecole biologiche esistenti, come membrane e nucleotidi, mentre costruiscono nuove cellule. Anche quelli che passano al livello successivo useranno molecole esistenti, ad esempio modificando chimicamente gli aminoacidi esistenti. "Tutte queste cose hanno un certo livello di artificialità", afferma Venter. "Tutto sta tradendo in una certa misura."

Per ora, suggerisce Dorit, la ricerca della vita artificiale - anche solo per cominciare a immaginare che sia possibile - richiede una sana dose di arroganza, insieme a una pari dose di modestia. "Ci sono molte e molte cose che ancora non capiamo su come gli organismi gestiscono la sopravvivenza", afferma. Questa ricerca ha messo a fuoco i misteri essenziali: in che modo una serie di DNA coordina la riproduzione, l'evoluzione e la morte di una cellula vivente? E quali sono i limiti della biologia per comprendere il significato di tutto ciò? È improbabile che le risposte emergano presto. E in un certo senso, dice Dorit, è contento. Sarebbe un po 'deludente se creare la vita artificiale si rivelasse facile.