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Fisica

Genoma minimo e cellula artificiale

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Perché la cellula artificiale con genoma minimo è importante. Un’équipe di ricercatori guidata da Craig Venter ha sintetizzato il genoma minimo, che contiene solo i geni strettamente necessari alla vita. Ecco perché è un grande risultato

oilà, il genoma minimo è servita. È l’ennesimo traguardo scientifico tagliato dall’équipe di Craig Venter – lo scienziato primo al mondo a sequenziare il genoma umano e a realizzare la prima cellula artificiale con genoma minimo completamente controllata da un genoma sintetico. Come raccontano in un articolo appena pubblicato su Science, infatti, Venter e colleghi sono riusciti a sviluppare il cosiddetto genoma batterico minimo, ovvero contenente soltanto i 473 geni strettamente necessari alla sopravvivenza e alla replicazione della cellula che lo ospita.

Genoma minimoSi tratta di una scoperta fondamentale nel campo della biologia sintetica, che, auspicabilmente, ci consentirà di capire meglio il ruolo di ciascuno dei geni fondamentali: per comprenderne appeno l’importanza, ci siamo fatti spiegare il significato della scoperta da Pasquale Stano, esperto in biologia sintetica al dipartimento di scienze dell’università di Roma Tre.

Facciamo un passo indietro. Cosa si intende per biologia sintetica?

La biologia sintetica è un ramo della biologia nato negli Stati Uniti intorno agli anni 2000, come evoluzione dell’ingegneria genetica e della biologia dei sistemi (la cosiddetta systems biology). Sebbene sia tipicamente considerata una disciplina bio-ingegneristica, che modifica organismi preesistenti andando a operare sui circuiti molecolari interni per creare un organismo che fa quello che lo sperimentatore vuole, c’è stato fin da subito un innesto di natura più chimica e biologica.

Questa seconda anima (meno bio-ingegneristica) della biologia sintetica ha a che fare con la costruzione dal basso di cellule artificiali aventi minima complessità da utilizzarsi sia come modelli di cellule attuali, sia come modelli di cellule primitive, sia come strumenti per applicazioni biotech e di nano-medicina. Quindi lo stato dell’arte della biologia sintetica attuale va visto da questa doppia prospettiva”.

Ci descrive meglio le due anime della biologia sintetica? Come funziona il cosiddetto approccio bio-ingegneristico?

Sul versante bio-ingegneristico attualmente è possibile modificare microrganismi introducendo circuiti genetici anche presi da altri organismi, al fine di produrre qualcosa di concreto, come bio-fuel e composti di chimica fine per uso farmaceutico. O ancora modificare microorganismi per la bio-remediation (metabolizzare gli inquinanti), o da usare come bio-sensori.

Il lavoro di Venter invece mira a creare sperimentalmente un micro-organismo avente un genoma minimo e ciononostante essere vivente. E quindi risponde, da un certo punto di vista, a una domanda teorica (‘qual è il genoma minimo?‘), ma ha anche ricadute pratiche: se sono in grado di sintetizzare un genoma minimo, posso anche sintetizzare un genoma a piacere, che faccia quello che voglio. Da qui il forte interesse (e anche le paure) dell’opinione pubblica verso questa ricerca. Essere in grado di disegnare e costruire un genoma potrebbe dare all’uomo un grosso potere, cioè quello di introdurre istruzioni che la cellula fa ciecamente, e che quindi possono essere utili o dannose”.

Quali, invece, gli scopi e l’applicazioni dell’approccio costruttivista?

Nell’approccio costruttivista o bottom-up della biologia sintetica, che si mescola quindi con la chimica e la biochimica di base, invece lo stato attuale ha un taglio diverso, e più interessato a capire i principi di auto-organizzazione della materia inanimata verso i sistemi viventi, per comprendere quali sono stati i vincoli e i passaggi obbligati, e le opportunità, o le inattese e sorprendenti fenomenologie che hanno dato origine alla vita sulla Terra 3,5 miliardi di anni fa.

Genoma minimoIl fine è quello di comprendere sperimentalmente le leggi della fisica e della chimica che hanno consentito la nascita la vita e quali sono le leggi di selezione chimica che hanno preceduto la selezione biologica che conosciamo. L’aspetto più interessante di questa seconda anima della biologia sintetica è che le tecniche e strategie che si utilizzano per la costruzione in laboratorio di cellule artificiali minime, non necessariamente viventi e quindi prive di problematiche bioetiche, non hanno la necessità di utilizzare microorganismi preesistenti. Un classico esempio è la costruzione (ancora non realizzata, ma in via di sperimentazione) di cellule artificiali intelligenti per la veicolazione di farmaci“.

Operativamente, come si prepara e sintetizza un genoma minimo in una cellula funzionante e in grado di autoreplicarsi?

Sia nell’uno che nell’altro approccio, il genoma minimo si disegna in base alla nostra conoscenza della biologia cellulare, vale a dire includendo tutti quei geni che sono fondamentali per le operazioni di auto-produzione di tutti i componenti della cellula. Tale genoma minimo teorico però, come ha dimostrato Venter, non funziona.

Ci sono altri geni, alcuni di cui ancora non si conosce la funzione, che vanno inclusi. In passato sono stati messi a confronto i genomi degli organismi più piccoli e facendo un paragone tra diversi genomi (la cosiddetta comparative genomics) si è giunti all’individuazione di quei geni che sono presenti in tutti i genomi analizzati. Si tratta di circa 250 geni, assolutamente necessari a ogni cellula, che si occupano di produrre le proteine, di duplicare il dna, di effettuare un metabolismo minimo e di costruire la membrana“.

Perché il genoma minimo sintetizzato da Venter e colleghi contiene più geni di quello teorico?

Nel suo lavoro, Venter ha mostrato che partendo dal genoma di un piccolo microrganismo (Mycoplasma mycoides) che avevano già sintetizzato in passato (901 geni) è possibile ridurre ulteriormente il genoma al valore di 473. Molto piccolo, ma ancora maggiore rispetto al genoma minimo teorico di circa 250 geni. Tutto dipende dal fatto che il numero minimo di geni è legato anche al tipo di ambiente che la cellula minima ha a disposizione: se la cellula può delegare all’ambiente alcune sue funzioni, i relativi geni possono essere eliminati (un po’ come se si dovesse costruire una casa a partire da materie prime grezze o da oggetti complessi prefabbricati): il numero minimo di operazioni che la cellula deve compiere dipende moltissimo dai materiali di partenza di cui dispone.

Queste cellule minime naturali sono tali perché vivono dentro altre cellule e ne usano i composti già elaborati: in tal modo nel loro genoma non c’è bisogno dei geni che sarebbero necessari a sintetizzare quei composti partendo da zero. In laboratorio una cellula minima può vivere solo in un ambiente protetto e molto ricco di nutrienti”.

Perché si tratta di una scoperta così importante?

Perché si è dimostrato sperimentalmente che una cellula è vivente a partire da un genoma di 473 geni. Un numero minore sia del più piccolo genoma naturale (Mycoplasma genitalium, 525 geni) che di quello dei batteri comuni (4000-5000 geni). Cosa ancora più importante, tale genoma è stato prodotto sinteticamente, cioè chimicamente, e introdotto in una cellula già formata, privata del suo dna naturale.

Dopo l’introduzione, il dna sintetico ha preso il controllo della cellula nella quale è stato introdotto, e l’ha fatta crescere e riprodursi. Lo studio di Venter dimostra – almeno in linea di principio – che è possibile costruire un dna genomico che faccia quello che lo sperimentatore vuole. E ancora: stando al lavoro di Venter, ci sono 79 geni di cui ancora non si conosce la funzione, il che fa capire chiaramente l’enorme difficoltà di disegnare un genoma a tavolino”.

Come si inserisce lo studio nell’ambito della ricerca sulla cosiddetta vita artificiale?

Bisogna intendersi su cosa voglia dire vita artificiale. I batteri minimi di Venter hanno di artificiale solo il fatto che il dna minimo introdotto è stato sintetizzato chimicamente, assemblato via lievito, e poi introdotto in una cellula naturale privata del proprio genoma naturale. Nell’accezione più pura, la vita artificiale è quella dell’approccio bottom-up, cioè la creazione della vita minima a partire da molecole non viventi.

Per altri ancora anche tale approccio non è totalmente artificiale, perché si usano comunque molecole prese in prestito dai sistemi viventi già esistenti. La vera vita artificiale, strictu sensu, sarebbe quella ricavata con approccio bottom-up da molecole non esistenti in natura, senza dna né proteine. Ciò su cui tutti concordano è che la vita è auto-poietica, cioè prevede, in ogni sua forma, l’auto-produzione dei propri componenti“.

Quali sono le possibili applicazioni e gli sviluppi futuri?

L’ultimo paper di Venter fu pubblicato nel 2010, quando il genoma di 901 geni fu sintetizzato in vitro e assemblato in lievito. Sei anni dopo siamo arrivati a 473 geni. La biologia sintetica bioingegneristica va abbastanza veloce: sono nate riviste specializzate che ne raccolgono i risultati sia come scienza di base (in particolare progettazione e sintesi di circuiti genetici) che come scienza applicativa (bicarburanti, farmaci, biosensori). La biologia sintetica bottom-up, invece, necessariamente produce sistemi più semplici, più basici e fondamentali, ma risponde probabilmente a domande diverse, forse più profonde (l’origine dei sistemi viventi contrapposti ai materiali non viventi)”.

Cosa si fa in Italia?

L’Italia, purtroppo, è tremendamente indietro: ci sono pochissimi gruppi di ricerca che si occupano dell’argomento. Nella nostra équipe a Roma Tre, al momento, ci stiamo occupando di costruire cellule sintetiche bottom-up capaci di scambiare segnali chimici con cellule naturali. Cioè realizzare sistemi minimi capaci di comunicare usando lo stesso linguaggio delle cellule naturali”.

 

 

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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Osiris-Rex, 5 motivi che ci hanno portato sull’asteroide Bennu

Antichissimo, non troppo piccolo, composto da elementi chimici unici per studiare il Sistema solare e l’evoluzione dell’Universo: Bennu è stato scelto dagli scienziati per tutte queste ragioni

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(foto: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Scoperto quasi 20 anni, fa, antichissimo, non troppo piccolo, l’asteroide 101955 Bennu probabilmente possiede alcune delle caratteristiche che lo rendono più appetibile per gli scienziati. Tanto che la Nasa ha appena inviato con successo la missione Osiris-Rex, arrivata il 3 dicembre 2018 in prossimità di Bennu. L’obiettivo della missione è prelevare un campione dell’asteroide per poi riportarlo sulla Terra, nel 2023, e studiarlo. Tuttavia, nel Sistema solare ci sono ben 780mila asteroidi: perché gli scienziati della Nasa hanno scelto proprio Bennu? A spiegarlo è la stessa Nasa, che fornisce alcuni validi motivi per cui avere in mano anche pochi grammi di questo corpo celeste potrebbe essere molto importante per gli scienziati.

1. Verificare la validità dei modelli

Dalla sua scoperta, nel 1999, gli scienziati hanno fornito diverse previsioni sulle proprietà, ad esempio la composizione chimica: verificare se queste previsioni sono corrette è essenziale per confermare questi ed altri modelli sugli asteroidi, e, in caso contrario, individuare le criticità e migliorare le osservazioni telescopiche.

2. Dare informazioni sull’origine del Sistema solare

Questo asteroide potrebbe essersi formato dall’assembramento di materiali provenienti da stelle nella loro fase finale che hanno poi dato luogo al Sistema solare. Questi materiali potrebbero essere presenti anche in asteroidi più piccoli, che hanno raggiunto il suolo terrestre (come meteoriti): tuttavia, gli scienziati non ne conoscono la provenienza precisa e inoltre la loro composizione viene alterata dall’entrata in atmosfera.

Mentre Bennu potrebbe essere una fonte attendibile per rintracciare e studiare questi materiali, anche considerando che è molto antico e che si è conservato nel vuoto dello Spazio. Così, studiare la sua composizione chimica possono essere importanti per studiare meglio origini ed evoluzione dell’Universo.

3. Le qualità che lo hanno reso più facile da raggiungere

Arrivare non è certo stato semplice. Tuttavia, per alcune caratteristiche Bennu era l’asteroide ideale per una missione spaziale. Bennu è vicino alla Terra e ruota intorno al Sole nello stesso piano con cui lo fa il nostro pianeta, tutti elementi che hanno facilitato l’invio della missione. Le sue dimensioni, poi, non sono né troppo piccole né troppo grandi per un’esplorazione di questo genere: il suo diametro è di circa 492 metri(nell’immagine si vede il confronto con la Torre Eiffel, che è alta 324 metri).

4. Potrebbe darci informazioni sull’origine della vita 

Bennu potrebbe contenere tracce di molecole organiche, come catene di carbonio legate a idrogeno e ossigeno, che sono i costituenti essenziali della vita e di tutti gli esseri viventi. E potrebbe esservi anche acqua, intrappolata nei minerali che compongono l’asteroide .Studiare un campione di Bennu, dunque, potrebbe aiutare a capire qual è stato il ruolo degli asteroidi nella comparsa sulla Terra di composti chimici essenziali per la vita.

5. Studiare i rischi di impatto

La vicinanza di Bennu alla Terra potrebbe diventare significativo intorno al 2135, anno in cui, secondo le previsioni degli scienziati della Nasa, c’è una bassa probabilità che colpisca il nostro pianeta. Così gli scienziati hanno pensato di effettuare misurazioni che possano aiutare i nostri discendenti per prevedere il rischio di impatto di questo e altri asteroidi. Come? Ad esempio valutando un fenomeno fisico noto come effetto Yarkovsky, probabilmente alla base dell’avvicinamento di Bennu, che ogni anno avanza di 280 metri verso il Sole e la Terra. Questo effetto riguarda spesso piccoli corpi celesti come asteroidi e consiste in una spinta dovuta al fatto che la luce solare calda raggiunge un lato dell’asteroide, il quale poi ri-emette calore, mentre ruota intorno al Sole, dal lato non esposto.





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In Cina sono nati i primi bambini geneticamente modificati

Uno scienziato cinese ha affermato di aver modificato il dna di alcuni embrioni umani per immunizzare i nascituri contro l’hiv, e questo mese sarebbero nate le prime gemelle geneticamente modificate

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Un annuncio che lascia di stucco l’intera comunità scientifica e non solo. He Jiankui della Southern University of Science and Technology di Shenzhen (Cina) ha annunciato al mondo di aver lavorato al concepimento e alla nascita dei primi bambini geneticamente modificati: si tratterebbe di una coppia di gemelle cinesi, venute alla luce all’inizio di novembre. La notizia è stata diffusa dal Mit Technology Review, a cui ha fatto seguito l’intervista esclusiva all’agenzia Associated Press, nella quale He ha spiegato come grazie alla tecnica di editing genomico Crispr abbia in pratica tentato – riuscendoci, a suo dire – di immunizzare i futuri esseri umani dall’infezione da hiv, il virus dell’Aids, disattivando un gene. He si è assunto la responsabilità di quella che molti non esitano a definire una sperimentazione umana dai risvolti imprevedibili, sia dal punto di vista biologico sia etico.

La sperimentazione
Con l’appoggio del professore di fisica e bioingegneria statunitense Michael Deem, He e il suo team di ricerca hanno avviato una sperimentazione per la creazione di quello che è ufficialmente definito un vaccino contro l’hiv allo Home Women’s and Children’s Hospital di Shenzhen.

He riferisce che nello studio (di cui per ora non esiste pubblicazione né revisione da parte di esperti indipendenti) sono state coinvolte sette coppiecinesi che avevano richiesto di accedere ai servizi di fecondazione in vitro (Fiv). In tutte le coppie l’uomo aveva contratto l’Aids, mentre la donna era sana.

Partecipando alla sperimentazione le coppie avrebbero potuto effettuare la Fiv gratuitamente.

Ottenuta l’autorizzazione dal comitato etico della struttura e il consenso informato (anche se qualcuno dubita che i futuri genitori avessero compreso tutti i rischi) dei partecipanti, He e i suoi colleghi hanno dato inizio all’esperimento creando in totale 16 embrioni modificati geneticamente con Crispr-cas9 perché venisse inattivato il gene Ccr5. Tale gene codifica per una proteina di membrana che si ritiene costituisca la porta d’accesso dell’hiv alle cellule. Il senso è: niente Ccr5, niente infezione – o quantomeno una maggiore protezione dei nascituri. Una motivazione più che etica secondo i ricercatori, perché L’Aids in Cina e nel mondo costituisce un serio problema per la salute pubblica, nonché per il benessere della persona. Spesso, infatti, si giustificano i ricercatori, i pazienti affetti da Aids perdono il lavoro e vengono discriminati.

Dopo la fecondazione in vitro, gli embrioni in fase precoce di sviluppo sono stati analizzati per constatare l’avvenuta modifica del genoma. Di tutti gli impianti effettuati uno sarebbe andato a buon fine e la gravidanza sarebbe stata portata a termine questo mese. He riferisce che sono nate due bambine, Lulu e Nana, una delle quali porta entrambe le copie modificate del gene Ccr5, mentre l’altra è eterozigote.

Critiche e dubbi

Chi ha avuto modo di visionare i pochi dati consegnati da He all’organizzazione della conferenza internazionale sull’editing genomico che inizierà martedì ha già sollevato diverse obiezioni sia sullo svolgimento della pratica sia sull’ammissibilità etica.

Dal punto di vista tecnico si contesta la sicurezza con cui questi risultatisono stati diffusi perché i test effettuati non sarebbero in realtà sufficientiper poter affermare che la modifica sia andata a buon fine e soprattutto che l’utilizzo di Crispr-cas9 non abbia comportato danni al resto del genoma.

Se anche così fosse, poi, una delle gemelle sarebbe in pratica un mosaico di cellule, alcune con la modifica genetica e altre no, e questo non darebbe alcun vantaggio alla bambina perché risulterebbe comunque suscettibile all’infezione da hiv. Perché dunque scegliere di impiantare un embrione modificato sapendo a priori che non avrebbe avuto i vantaggi attesi e esponendo il nascituro a rischi ancora sconosciuti per la sua sicurezza? Alcuni esponenti della comunità scientifica internazionale fanno inoltre notare che Ccr5 facilita sì l’ingresso del virus dell’Aids nelle cellule ma da un’altra prospettiva conferisce resistenza verso altri tipi di infezioni più comuni, meno prevenibili e trattabili dell’hiv quali i virus dell’influenza e del West Nile – patologie per cui si muore tutt’oggi.

Oltre al caso particolare, poi, tornano prepotenti tutti gli interrogativi eticiche accompagnano la discussione sulle modifiche genetiche negli esseri umani, specialmente se effettuate sui gameti (ovociti e spermatozoi) o sugli embrioni perché attribuiscono tratti ereditabili dalla futura progenie.

Per He, però, il suo lavoro aiuterà le coppie e i loro figli e, nel caso la sperimentazione avesse causato danni, sentirà la stessa pena delle famiglie, assumendosene la piena responsabilità.





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Da Hal 9000 a Cimon, i robot con l’uomo fra le stelle

Ricostruito ‘gemello buono’ del computer di Odissea nello spazio

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L'assistente digitale Cimon sulla Stazione Spaziale con il comandante Alexander Gerst

L’uomo non è più solo nella conquista dello spazio. Al suo fianco ci sono nuovi assistenti digitali dotati di intelligenza artificiale, che promettono di aiutarlo nella gestione della routine quotidiana e delle emergenze: da Cimon, il robot volante che lavorerà con Luca Parmitano sulla Stazione spaziale internazionale (Iss), fino a ‘Case’, il gemello buono del temibile computer di ‘2001 Odissea nello spazio’, che è appena stato progettato da un’azienda texana in collaborazione con la Nasa.

L’idea è venuta all’ingegnere Pete Bonasso, esperto di intelligenza artificiale della TRACLabs Inc, che nel 1968 rimase impressionato dalla visione dell’inquietante Hal 9000 nella pellicola di Stanley Kubrick. Desideroso di riprodurlo nei suoi aspetti positivi, e non certo nei suoi istinti omicidi, ha progettato ‘Case’ (Cognitive architecture for space agents), un nuovo sistema di intelligenza artificiale capace di gestire in completa autonomia una futura stazione spaziale su un altro pianeta. La sua architettura prevede tre livelli: il primo controlla la parte hardware della stazione planetaria, inclusi i sistemi per il supporto vitale e l’alimentazione energetica; il secondo livello esegue il software che fa funzionare l’infrastruttura hardware; il terzo, infine, elabora soluzioni per affrontare la routine quotidiana e le emergenze.

A tutto questo si aggiunge poi un sistema capace di ragionare e valutare i dati che processa, per poi interfacciarsi con l’uomo e rispondere alle sue richieste. “I nostri colleghi e i nostri omologhi alla Nasa non sono preoccupati che il nostro Hal possa andare fuori controllo, perché non può fare nulla per cui non sia stato programmato”, rassicura Bonasso in un’intervista sul sito Space.com. Testato in un ambiente virtuale, il sistema ha dimostrato di saper gestire una stazione planetaria senza intoppi per almeno quattro ore consecutive.

Nell’attesa che Case prenda forma e inizi a operare nel mondo reale, l’intelligenza artificiale ha già cominciato la sua avventura nello spazio al fianco dell’uomo con ‘Cimon’ (Crew Interactive MObile CompanioN), il primo assistente digitale a bordo della Stazione spaziale internazionale (Iss).

Questo robot volante stampato in 3D è una sfera dal diametro di 32 centimetri e pesante cinque chili, con un display che mostra occhi, naso e bocca stilizzati. Progettato per ascoltare, osservare e parlare con l’uomo, ha debuttato pochi giorni fa dialogando per 90 minuti con l’astronauta europeo Alexander Gerst. Anche l’italiano Luca Parmitano lo avrà come compagno di viaggio nella sua prossima missione ‘Beyond’ nel 2019.





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