Cellule minime artificiali: creare abbastanza vita per la ricerca medica

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  Preveggenza quantistica
• Dicembre 23, 2022

Riepilogo approfondimenti

Esplorando gli elementi essenziali della vita, gli scienziati hanno ridotto i genomi per creare cellule minime, rivelando le funzioni fondamentali necessarie per la vita. Questi sforzi hanno portato a scoperte e sfide inaspettate, come forme cellulari irregolari, che spingono a un ulteriore perfezionamento e comprensione degli elementi essenziali della genetica. Questa ricerca apre la strada ai progressi nella biologia sintetica, con potenziali applicazioni nello sviluppo di farmaci, nello studio delle malattie e nella medicina personalizzata.

Contesto delle cellule minime artificiali

Le cellule minime artificiali o la minimizzazione del genoma sono un approccio pratico di biologia sintetica per comprendere come le interazioni tra geni essenziali diano origine a processi fisiologici vitali. La minimizzazione del genoma ha utilizzato un metodo di progettazione-costruzione-test-apprendimento che si basava sulla valutazione e sulla combinazione di segmenti genomici modulari e informazioni dalla mutagenesi del trasposone (il processo di trasferimento dei geni da un host all'altro) per aiutare a guidare le delezioni geniche. Questo metodo ha ridotto i pregiudizi durante la ricerca di geni essenziali e ha fornito agli scienziati gli strumenti per modificare, ricostruire e studiare il genoma e ciò che fa.

Nel 2010, gli scienziati del J. Craig Venter Institute (JVCI) con sede negli Stati Uniti hanno annunciato di aver eliminato con successo il DNA del batterio Mycoplasma capricolum e di averlo sostituito con DNA generato al computer basato su un altro batterio, Mycoplasma mycoides. Il team ha intitolato il loro nuovo organismo JCVI-syn1.0, o "sintetico", in breve. Questo organismo è stata la prima specie auto-replicante sulla Terra composta da genitori di computer. È stato creato per aiutare gli scienziati a capire come funzionava la vita, a partire dalle cellule in su. 

Nel 2016, il team ha creato JCVI-syn3.0, un organismo unicellulare con meno geni di qualsiasi altra forma conosciuta di vita semplice (solo 473 geni rispetto ai 1.0 geni di JVCI-syn901). Tuttavia, l'organismo ha agito in modi imprevedibili. Invece di produrre cellule sane, ne ha create di forme strane durante l'auto-replicazione. Gli scienziati si sono resi conto di aver rimosso troppi geni dalla cellula originale, compresi quelli responsabili della normale divisione cellulare. 

Impatto dirompente

Determinati a trovare un organismo sano con il minor numero possibile di geni, i biofisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno remixato il codice JCVI-syn3.0 nel 2021. Sono stati in grado di creare un nuova variante denominata JCVI-syn3A. Anche se questa nuova cellula ha solo 500 geni, grazie al lavoro dei ricercatori si comporta più come una cellula normale. 

Gli scienziati stanno lavorando per abbattere ulteriormente la cellula. Nel 2021, un nuovo organismo sintetico noto come M. mycoides JCVI-syn3B si è evoluto per 300 giorni, dimostrando che può mutare in circostanze diverse. I bioingegneri sono anche ottimisti sul fatto che un organismo più snello possa aiutare gli scienziati a studiare la vita al suo livello più elementare e capire come progrediscono le malattie.

Nel 2022, un team di scienziati dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, JVCI e Technische Universität Dresden, con sede in Germania, ha creato un modello computerizzato di JCVI-syn3A. Questo modello potrebbe prevedere con precisione la crescita e la struttura molecolare del suo analogo nella vita reale. A partire dal 2022, era il modello a cella intera più completo che un computer abbia simulato.

Queste simulazioni possono fornire informazioni preziose. Questi dati includono il metabolismo, la crescita e i processi di informazione genetica durante un ciclo cellulare. L'analisi offre informazioni sui principi della vita e su come le cellule consumano energia, compreso il trasporto attivo di amminoacidi, nucleotidi e ioni. Man mano che la ricerca sulle cellule minime continua a crescere, gli scienziati possono creare migliori sistemi di biologia sintetica che possono essere utilizzati per sviluppare farmaci, studiare malattie e scoprire terapie genetiche.

Implicazioni delle cellule minime artificiali

Implicazioni più ampie dello sviluppo di cellule minime artificiali possono includere: 

• Più collaborazioni globali per creare sistemi di vita essenziali ma funzionanti per la ricerca.
• Maggiore utilizzo dell'apprendimento automatico e della modellazione computerizzata per mappare le strutture biologiche, come le cellule del sangue e le proteine.
• Biologia sintetica avanzata e ibridi macchina-organismo, inclusi body-on-a-chip e robot vivi. Tuttavia, questi esperimenti potrebbero ricevere reclami etici da parte di alcuni scienziati.
• Alcune aziende biotecnologiche e biofarmaceutiche investono pesantemente in iniziative di biologia sintetica per accelerare lo sviluppo di farmaci e terapie.
• Maggiore innovazione e scoperte nell'editing genetico man mano che gli scienziati apprendono di più sui geni e su come possono essere manipolati.
• Norme rafforzate sulla ricerca biotecnologica per garantire pratiche etiche, salvaguardando sia l’integrità scientifica che la fiducia del pubblico.
• Emersione di nuovi programmi educativi e formativi incentrati sulla biologia sintetica e sulle forme di vita artificiale, che dotano la prossima generazione di scienziati di competenze specializzate.
• Spostamento delle strategie sanitarie verso la medicina personalizzata, utilizzando cellule artificiali e biologia sintetica per trattamenti e diagnosi su misura.

Domande da considerare

• Se lavori nel campo della biologia sintetica, quali sono gli altri vantaggi delle cellule minimali?
• In che modo le organizzazioni e le istituzioni possono lavorare insieme per far progredire la biologia sintetica?