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Primo genoma batterico creato completamente al computer

(Science Photo Library / Martin Oeggerli)

Tutte le sequenze di organismi del genoma conosciute in tutto il mondo sono memorizzate in un database dell'American Center for Biotechnology Information.

Da oggi c'è un'altra voce, Caulobacter ethensis-2.0. Si tratta del primo genoma di un essere vivente completamente generato al mondo, creato dagli scienziati del Politecnico di Zurigo. Tuttavia, è importante sottolineare che C. ethensis-2.0 ha finora solo un genoma - reale, sotto forma di cromosoma, cioè una molecola di DNA molto grande. Non esiste ancora un organismo corrispondente.

C. ethensis-2.0 si basa sul genoma di un batterio d'acqua dolce ben studiato e innocuo: il batterio Caulobacter crescentus si trova naturalmente nelle acque di tutto il mondo, compreso il lago di Zurigo. Non provoca alcuna malattia. C. crescentus è anche un organismo modello frequentemente utilizzato nei laboratori di ricerca per studiare la vita dei batteri. Il genoma di questo batterio comprende 4000 geni. Anni fa, gli scienziati hanno dimostrato che sono necessari solo circa 680 geni essenziali. I batteri con questo genoma minimo sono in grado di sopravvivere in laboratorio.

Processo produttivo ottimizzato
Beat Christen, professore di Biologia dei sistemi sperimentali al Politecnico di Zurigo, e suo fratello Matthias Christen, chimico del Politecnico di Zurigo, hanno preso come punto di partenza questo genoma minimo di C. crescentus. Il loro obiettivo era di sintetizzare chimicamente questo cromosoma da zero. Tale compito era precedentemente associato ad uno sforzo immenso: Secondo i media, 20 scienziati hanno lavorato per dieci anni sul genoma batterico sintetizzato chimicamente presentato undici anni fa dal pioniere genetico americano Craig Venter. I costi del progetto sarebbero ammontati a 40 milioni di dollari.

Mentre Venter ha copiato il suo genoma batterico 1:1, i ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno deliberatamente modificato il loro genoma utilizzando un algoritmo informatico per poterlo produrre molto più facilmente da un lato e per poter indagare questioni fondamentali della biologia dall'altro.

Per produrre una molecola di DNA grande quanto un genoma batterico, gli scienziati devono procedere passo dopo passo. Nel caso del genoma di Caulobacter, gli scienziati dell'ETH hanno sintetizzato 236 frammenti del genoma, che poi assemblano. "La sintesi di queste parti non è sempre facile", spiega Matthias Christen. "Le molecole di DNA non solo hanno la capacità di legarsi ad altre molecole di DNA, ma possono anche formare con se stesse cicli e cluster, a seconda della sequenza dei blocchi di costruzione, il che può rendere la produzione più difficile o impossibile.

Sequenza di DNA semplificata
Per sintetizzare i frammenti del genoma nel modo più semplice possibile e successivamente assemblare i frammenti nel modo più razionale possibile, gli scienziati hanno semplificato la sequenza del genoma senza alterare l'informazione genetica reale (a livello delle proteine). C'è spazio per la semplificazione del genoma perché la biologia conosce le ridondanze nella conservazione delle informazioni genetiche. Ad esempio, per molti blocchi di proteine (aminoacidi) ci sono due, quattro o anche più possibilità genetiche per definire le informazioni sui blocchi di proteine.

L'algoritmo sviluppato dagli scienziati dei PF fa un uso ottimale di questo campo di applicazione. I ricercatori l'hanno utilizzato per calcolare la sequenza di DNA ideale per la sintesi e l'assemblaggio, che alla fine hanno utilizzato per il loro lavoro.

Come risultato, gli scienziati hanno apportato molte piccole modifiche alla sequenza dei blocchi di DNA del genoma minimo, ma queste modifiche sono considerevoli nella loro interezza: Più di un sesto di tutti gli 800.000 elementi costitutivi del DNA nel genoma artificiale sono alterati rispetto al genoma minimo "naturale". "Nel nostro genoma, la sequenza degli elementi costitutivi del DNA è nuova e non più riconoscibile dalla sequenza originale, ma la funzione biologica a livello proteico rimane la stessa", ha detto Beat Christen.

 

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