Creato un batterio che aggiunge lettere all'alfabeto del DNA

L'espansione dell'alfabeto genetico rispetto al DNA naturale

nell'articolo di Watson e Crick. Credit: Synthorx

Scienziati al The Scripps Research Institute (TSRI) hanno progettato un batterio il cui materiale genetico comprende un paio di basi di DNA aggiunte, queste nuove "lettere" non si trovano in natura. Le cellule di questo batterio unico sono in grado di replicare le basi del DNA innaturali più o meno normalmente, finché vengono forniti i mattoni molecolari.

"La vita sulla Terra in tutta la sua diversità è codificata solo da due coppie di basi del DNA, AT e CG, quello che abbiamo creato è un organismo che contiene stabilmente queste due, più una terza coppia innaturale di basi", ha detto il Professore Associato Floyd E. Romesberg del TSRI, che ha guidato il team di ricerca. "Questo dimostra che altre soluzioni per la memorizzazione di informazioni sono possibili e, naturalmente, ci avvicina ad una biologia di espanso-DNA che avrà molte eccitanti applicazioni, da nuovi farmaci a nuovi tipi di nanotecnologie."

La relazione sulla realizzazione appare il 7 maggio 2014, in una anteprima online della rivista Nature.

Molte sfide

Romesberg e il suo laboratorio hanno lavorato dalla fine del 1990 per trovare le coppie di molecole che potrebbero servire come nuove basi funzionali di DNA, in linea di principio, potrebbe codificare proteine ​​e organismi che non sono mai esistiti prima.

Il compito non è semplice. Ogni nuova coppia funzionale di basi del DNA avrebbe dovuto legarsi con un'affinità paragonabile a quella del nucleoside naturale delle coppie di basi adenina-timina e citosina-guanina. Tali nuove basi avrebbero dovuto anche allinearsi stabilmente accanto alle basi naturali in un tratto compresso del DNA. Decomprimersi e comprimersi con efficienza lavorando con gli enzimi naturali della polimerasi durante la replicazione del DNA e la trascrizione in RNA. E in qualche modo questi intrusi nucleosidici avrebbero dovuto evitare di essere attaccati e rimossi dai meccanismi di riparazione del DNA naturale.

Ampliare l'alfabeto genetico. Credit: Synthorx

Nonostante queste sfide, entro il 2008 Romesberg e i suoi colleghi avevano compiuto un grande passo verso questo obiettivo; in uno studio pubblicato quell'anno, hanno identificato insiemi di molecole nucleosidici in grado di collegarsi attraverso un doppio filamento di DNA quasi perfettamente, come le coppie di basi naturali, e hanno mostrato che il DNA contenente queste coppie di basi innaturali può replicarsi in presenza degli enzimi giusti. In uno studio che è uscito l'anno successivo, i ricercatori sono stati in grado di trovare gli enzimi che trascrivono questo DNA semi-sintetico in RNA.

Ma questo lavoro è stato condotto nell'ambiente semplificato di una provetta. "Queste coppie di basi innaturali hanno lavorato splendidamente in vitro, ma la grande sfida è stata quella di farle lavorare nell'ambiente molto più complesso di una cellula vivente", ha detto Denis A. Malyshev, membro del laboratorio Romesberg che è stato autore del nuovo report.

Un improvviso passo avanti. Le microalghe

Nel nuovo studio, il team ha sintetizzato un tratto circolare di DNA noto come plasmide e lo ha inserito nelle cellule del batterio E. coli comune. Il DNA plasmide conteneva le coppie naturali di basi TA e CG insieme alla coppia di basi innaturale migliore che il laboratorio di Romesberg aveva scoperto, due molecole note come d5SICS e DNAM. L'obiettivo era quello di indurre le cellule di E. coli a replicare questo DNA semi-sintetico il più normalmente possibile.

Il più grande ostacolo può essere rassicurante per chi teme la fuoriuscita incontrollata di una nuova forma di vita: i mattoni molecolari per d5SICS e DNAM non sono naturalmente nelle cellule. Così, per ottenere l'E. coli per replicare il DNA contenente queste basi innaturali, i ricercatori hanno dovuto fornire i mattoni molecolari artificialmente, aggiungendoli alla soluzione fluida all'esterno della cellula. Quindi, per ottenere i mattoni, conosciuti come trifosfati nucleosidici, nelle cellule, hanno dovuto trovare particolari molecole trifosfato trasportatrici per fare il lavoro.

Come espandere l'alfabeto genetico. Credit: Synthorx

I ricercatori infine sono stati in grado di trovare un trasportatore trifosfato, ottenuto da una specie di microalghe, che era abbastanza buono per trasportare i trifosfati innaturali. "E' stato un grande passo avanti per noi", ha detto Malyshev.

Anche se il completamento del progetto ha richiesto un altro anno, il team ha scoperto, un po' a sorpresa, che il plasmide semi-sintetico si replicava con ragionevole velocità e precisione, senza creare grandi ostacoli alla crescita delle cellule di E. coli, e non ha mostrato alcun segno di perdere le sue coppie di basi innaturali a causa dei meccanismi di riparazione del DNA.

"Una cosa importante da notare è che queste due innovazioni prevedono anche il controllo del sistema. Le nostre nuove basi si possono ottenere solo in forma cellulare, se accendiamo la proteina trasportatrice. Senza questo trasportatore o quando nuove basi non sono fornite, la cellula tornerà alle basi A, T, G, C, e le d5SICS e DNAM scompariranno dal genoma", ha detto Malyshev.

Il prossimo passo sarà quello di dimostrare la trascrizione in cellule del nuovo, ampliato alfabeto del DNA in RNA che alimenta la macchina produttrice di proteine delle cellule. "In linea di principio, potremmo codificare nuove proteine ​​prodotte da questi nuovi amminoacidi non naturali che ci darebbero più che mai una maggiore capacità di adattare terapie e strumenti diagnostici e reagenti di laboratorio con le funzioni desiderate", ha detto Romesberg. "Altre applicazioni, quali i nanomateriali, sono anche possibili."

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