I ricercatori hanno combinato più di sette cromosomi sintetici prodotti in laboratorio in un’unica cellula di lievito, dando vita a un ceppo con oltre il 50% di DNA sintetico che sopravvive e si replica in modo simile ai ceppi di lievito selvatico. Il team presenta il lievito semisintetico l’8 novembre sulla rivista Cellula come parte di una raccolta di documenti Cellula, Cellula molecolare,E Genomica cellulare che mettono in mostra il Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0), un consorzio globale che lavora per sviluppare da zero il primo genoma sintetico di eucarioti. Il team ora ha sintetizzato ed eseguito il debug di tutti i sedici cromosomi del lievito.
“La nostra motivazione è comprendere i primi principi fondamentali del genoma costruendo genomi sintetici”, afferma il coautore e biologo sintetico Patrick Yizhi Cai dell’Università di Manchester, che è anche autore senior di altri due articoli della raccolta. “Il team ha ora riscritto il sistema operativo del lievito in erba, che apre una nuova era di biologia ingegneristica, passando dal ritoccare una manciata di geni a de novo progettazione e costruzione di interi genomi.”
Sebbene i genomi batterici e virali siano stati sintetizzati in precedenza, questo sarebbe il primo genoma eucariotico sintetico, che introduce la complicazione di più cromosomi. Il lievito sintetico è anche un genoma “designer” che differisce sostanzialmente da quello naturale Saccharomyces cerevisiae (lievito di birra o di panificazione) sul quale si basa.
“Abbiamo deciso che era importante produrre qualcosa che fosse fortemente modificato rispetto al design della natura”, afferma Jef Boeke, autore senior e leader di Sc2.0, biologo sintetico presso la NYU Langone Health. “Il nostro obiettivo generale era quello di costruire un lievito che possa insegnarci una nuova biologia.”
A tal fine, i ricercatori hanno rimosso pezzi di DNA non codificante ed elementi ripetitivi che potrebbero essere considerati “spazzatura”, hanno aggiunto nuovi frammenti di DNA per aiutarli a distinguere più facilmente tra geni sintetizzati e geni nativi e hanno introdotto un generatore di diversità integrato chiamato “SCRaMbLE” che mescola l’ordine dei geni all’interno e tra i cromosomi.
Per aumentare la stabilità del genoma, il team ha anche rimosso molti dei geni che codificano l’RNA di trasferimento (tRNA) e li ha ricollocati in un “neocromosoma” completamente nuovo costituito solo da geni tRNA. “Il neocromosoma tRNA è il primo al mondo in assoluto de novo cromosoma sintetico”, dice Cai. “Non esiste nulla di simile in natura.”
Poiché il genoma del lievito è organizzato in sedici cromosomi, i ricercatori hanno iniziato assemblando ciascun cromosoma in modo indipendente per creare sedici ceppi di lievito parzialmente sintetici che contenevano ciascuno 15 cromosomi naturali e un cromosoma sintetico. La sfida successiva era iniziare a combinare questi cromosomi sintetici in un’unica cellula di lievito.
Per fare questo, il team di Boeke ha iniziato utilizzando un metodo che ricorda i piselli di Mendel: essenzialmente, i ricercatori hanno incrociato diversi ceppi di lievito parzialmente sintetici e poi hanno cercato tra la loro progenie individui portatori di entrambi i cromosomi sintetici. Sebbene efficace, questo metodo è molto lento, ma il team ha gradualmente consolidato tutti i cromosomi precedentemente sintetizzati – sei cromosomi completi e un braccio cromosomico – in un’unica cellula. Il ceppo di lievito risultante era sintetico per oltre il 31%, aveva una morfologia normale e mostrava solo lievi difetti di crescita rispetto al lievito selvatico.
Per trasferire in modo più efficiente cromosomi specifici tra ceppi di lievito, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo chiamato sostituzione cromosomica, discusso in un altro articolo della nuova raccolta. Come prova del concetto, hanno utilizzato la sostituzione cromosomica per trasferire un cromosoma appena sintetizzato (il cromosoma IV, il più grande di tutti i cromosomi sintetici), risultando in una cellula di lievito con 7,5 cromosomi sintetici che è sintetica per oltre il 50%.
Quando i cromosomi sintetici sono stati consolidati in un singolo ceppo di lievito, il team ha rilevato diversi difetti genetici o “bug” che erano invisibili nei ceppi di lievito che portavano solo un cromosoma sintetico. “Sapevamo in linea di principio che questo sarebbe potuto accadere, che avremmo potuto avere un numero enorme di cose che avevano piccoli effetti e che, mettendole tutte insieme, il risultato sarebbe stato la morte per mille tagli”, dice Boeke.
Alcuni di questi bug erano semplicemente dovuti all’impatto additivo della presenza di molti piccoli difetti all’interno del genoma, mentre altri riguardavano le interazioni genetiche tra i geni sui diversi cromosomi sintetici. I ricercatori sono riusciti a mappare e correggere molti di questi bug e ad aumentare l’idoneità del lievito sintetico utilizzando un metodo basato su CRISPR/Cas9.
“Ora abbiamo dimostrato che possiamo consolidare essenzialmente la metà del genoma con una buona forma fisica, il che suggerisce che questo non sarà un grosso problema”, dice Boeke. “E dal debug apprendiamo nuove svolte sulle regole della vita.”
Il prossimo passo sarà integrare i restanti cromosomi sintetici. “Ora siamo così lontani dal traguardo di avere tutti i 16 cromosomi in un’unica cellula”, afferma Boeke. “Mi piace chiamarla la fine dell’inizio, non l’inizio della fine, perché è allora che saremo davvero in grado di iniziare a mescolare quel mazzo e a produrre lievito in grado di fare cose che non abbiamo mai visto prima. “
Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation, dal National Institutes of Health, dal Laura and Isaac Perlmutter Cancer Center e dalla Volkswagen Stiftung.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
