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E l’uomo ricreò la vita

by Lettere21

È la sfida della biologia di questo secolo: riprodurre in laboratorio una cellula, l’unità fondamentale degli organismi viventi. E qualche passo avanti è già stato fatto

La ricetta sembra semplice: solo qualche tipo di grasso, elementi minerali, energia, proteine e materiale genetico. Ecco la composizione di una cellula. E del resto, con elenchi di questo genere, negli anni scorsi sono stati realizzati ex novo virus, lieviti e batteri o, per lo meno, organismi che ci assomigliavano molto. Arrivarci, però, è molto complicato. E finora si è lavorato soprattutto manipolando il Dna o altre molecole complesse, non creando da zero l’intera cellula. È come se gli scienziati avessero cominciato a costruire automobili di ogni tipo di cilindrata e carrozzeria, con l’obiettivo però di arrivare a ricreare l’intero sistema stradale, con autostrade, svincoli, vie principali e secondarie, semafori, autovelox ecc… Insomma, per quanto complessa sia un’automobile, saperne fare qualcuna non basta certo a costruire dal nulla un sistema viario; nella nostra similitudine, una cellula vivente.

LE NUOVE FRONTIERE. In effetti, i biologi oggi sanno fare soprattutto due cose: sintetizzare materiale genetico (costruendo da zero le lunghe catene di molecole che danno istruzioni alla cellula) e ricrea re involucri sferici di grassi, che sono gli elementi fondamentali che formano la membrana che circonda tutte le cellule e che permette gli scambi chimici con l’esterno. Il passo successivo, che è stato già fatto in molti laboratori nel mondo, è inserire il materiale genetico nelle vescicole di grassi ottenendo così una sorta di “protocellule” per poi provare a indurle a fare qualcosa (produrre energia, dividersi, comunicare con altre…). Ma come? Finora, alcuni organismi (o parti di essi), sono stati ottenuti con due approcci molto diversi, ma ugualmente complicati. Il primo, detto “top down”, è stato impiegato nel 2002 per ottenere un virus artificiale, quello della poliomielite. Con questa tecnica, si va avanti per sottrazione, partendo da batteri o altri microrganismi già esistenti che vengono privati del loro Dna (o Rna nel caso di alcuni virus). Successivamente, viene poi inserito nella cellula “svuotata” quello della specie che si cerca di ottenere. Nel secondo, detto “bottom-up”, si procede invece per addizione, si stila una lista di tutto ciò che è ritenuto indispensabile alla vita e lo si assembla fino a ottenere una struttura che possa definirsi vitale. Procedendo così è stato realizzato, nel 2014, un cromosoma del lievito di birra. Questo secondo approccio è il vero sogno degli scienziati: ottenere da zero, cioè dai “mattoncini” (molecole) di partenza, una cellula a piacere. Ma questo obiettivo si sta rivelando più sfuggente del previsto, anche perché la cellula degli organismi superiori, come i mammiferi, è dotata non solo di un nucleo che racchiude il Dna (cellula eucariota) ma anche di molti apparati cellulari che svolgono le più diverse funzioni e che è molto difficile riprodurre. La ricerca comunque continua e in questi ultimi mesi sono stati fatti importanti passi avanti. Di strada, però, i biologi devono farne ancora tanta.

GLI OSTACOLI. Per realizzare una cellula vivente e funzionante, infatti, non basta ricostituire il giusto “brodo primordiale” biologico: ci sono altri, enormi ostacoli. Soprattutto in tre ambiti: quello delle membrane, che consentono i rapporti della cellula con l’universo biologico in cui è immersa e devono proteggerla dai nemici esterni; quello metabolico, relativo a tutte le reazioni chimiche che servono a farla funzionare, e quello della conservazione e trasmissione dell’informazione, ovvero del materiale genetico che, di volta in volta, va letto e tradotto, oppure mantenuto in modo che possa essere preservato di generazione in generazione.

RICERCA COMPLESSA. Una volta compresi alla perfezione tutti i passaggi e le caratteristiche di ogni singolo attimo della vita da questi tre punti di vista, bisognerebbe poi accordarne il funzionamento. Anche conoscendo modello e prestazioni di tutte le auto in circolazione, per riprendere l’esempio di prima, non è detto infatti che potremmo indurle a riprodurre il normale traffico senza causare grossi incidenti stradali. Lo sforzo scientifico necessario sembra quindi quasi troppo grande per essere realizzabile, anche se molti biologi da anni dedicano tutta la loro creatività ad arrivare al risultato. Ma questo avviene anche perché, forse, i ricercatori affrontano il problema in modo non del tutto corretto, sia che l’approccio sia “bottomdown” sia che sia “bottom-up”. Così la pensa Sheref Mansy, uno degli scienziati più brillanti del settore, statunitense di nascita e formazione. Secondo Mansy: «Questi tentativi, che comunque rappresentano tappe molto utili, nascono da un presupposto che nella realtà biologica non è quasi mai vero, e cioè che, mettendo insieme tutti i componenti (che, non a caso, qualcuno chiama come i mattoncini del Lego: BioBrick), si possa riprodurre la vita. Ma una cellula vivente risponde a complesse leggi chimico-fisiche. Delle quali di solito queste simulazioni non tengono conto». Mansy, che ha realizzato un suo modello di cellula artificiale, una sorta di cellularobot che interagisce con i batteri con cui entra in contatto, aggiunge: «Negli ultimi decenni ci siamo spinti sempre più nel piccolo, cercando di capire il funzionamento e la struttura di proteine, geni, frammenti di geni, mattoni sempre più minuscoli. Tutto questo ci ha fatto però perdere di vista la vita nel suo insieme: è lì che dobbiamo tornare, a una comprensione molto più ampia del semplice assemblaggio di mattoni». Così la pensa, del resto, anche un altro esponente di rilievo del settore, Cees Dekker, biofisico alla Delft University of Technology, che a sua volta, chiamando in causa una scienza che ben poco ha a che vedere con la biologia, commenta: «Quello che dobbiamo davvero capire è la “sociologia delle molecole” all’interno delle cellule, cioè la loro società, il loro modo di stare insieme nei diversi momenti».

ADDOMESTICATE. Il lavoro da fare è dunque ancora enorme, e in parte va modificato nelle sue stesse basi teoriche: «Le cellule devono soprattutto vivere: non sono fatte per rispondere alle necessità dell’uomo come, per esempio, produrre un certo farmaco, o trasformare i nostri rifiuti in materiali da riutilizzare. Per questo, quando cerchiamo di costringerle a fabbricare una sostanza alimentare, oppure a riparare un danno in un tessuto, o a produrre un vaccino, spesso otteniamo anche sottoprodotti che abbassano la resa, o che sono tossici per la stessa cellula», aggiunge Mansy. «Quando potremo evitare che ciò accada, avremo a disposizione strumenti formidabili per quasi ogni ambito, dall’agricoltura alle lavorazioni industriali, dalla farmaceutica al settore alimentare per arrivare alle missioni spaziali. E tra l’altro in quel momento avremo anche capito (forse non del tutto, ma certo meglio di adesso) che cosa sia la vita».

Non ci sono dubbi sul fatto che la biologia sintetica sarà la grande protagonista dei prossimi anni, così come la chimica lo è stata dell’Ottocento e la fisica del Novecento. Ciò che ci permetterà di fare avrà un impatto sull’umanità simile a quello della ruota, o del fuoco, perché per la prima volta l’uomo sarà in grado di realizzare organismi viventi, e di farlo tenendo conto delle esigenze di un pianeta gravemente compromesso sul quale dovranno presto vivere 10 miliardi di persone.

DUE PASSI FONDAMENTALI

PIÙ GRANDI. Poche settimane fa Nature ha pubblicato i risultati ottenuti dal gruppo di Petra Schwille del Max Planck Institut per la biochimica a Martinsried, in Germania. Il gruppo ha realizzato strutture all’incirca sferiche (e cave all’interno), delle dimensioni medie di una cellula eucariota, composte da grassi e proteine chiamate Min, che sono responsabili dell’organizzazione delle membrane esterne perché le rendono capaci di muoversi (cioè di contrarsi). I ricercatori sono riusciti a ottenere quindi grossi liposomi, sfere di grasso vuote all’interno, che hanno chiamato vescicole unilamellari giganti o GUV. La novità rispetto alle ricerche precedenti è che queste vescicole pulsano, fluttuano e si contraggono, cioè somigliano molto alla membrana di una cellula superiore. I colleghi dello stesso Max Plank Institut, ma della sede di Heidelberg, hanno poi aggiunto un ulteriore tassello: hanno inserito nelle GUV un enzima responsabile della produzione di energia cellulare, senza la quale nessuna reazione può avere luogo. Quasi in contemporanea, un’altra ricerca fondamentale in questo campo è stata pubblicata su Science dal gruppo di ricercatori dell’Università di San Diego guidato da Neal Devaraj. Si tratta di una versione ancora più “originale” della cellula artificiale, perché spazza via tutte le questioni sulle membrane e le proteine in esse inserite, puntando direttamente su un materiale plastico, il metacrilato, usato come rivestimento di un mix di “ingredienti” che si avvicinano molto a quelli all’interno di una cellula superiore. C’è del Dna libero (non racchiuso in un nucleo) ma in grado di svolgere azioni fondamentali quali interagire con le altre parti della “cellula” e, per esempio, far partire la sintesi di proteine in risposta a specifici segnali.

Tre problemi da risolvere

Le cellule “vere” hanno tre caratteristiche difficili da ricostruire in laboratorio: riescono a produrre energia, a replicare se stesse (ovvero a riprodursi) e a interagire con l’ambiente.

ALIMENTAZIONE. Attraverso organelli chiamati mitocondri (la cui struttura è riprodotta nel disegno a destra), la cellula riesce a trasformare gli zuccheri di cui si nutre in energia, perché produce una apposita molecola “carburante” (Atp) che sfrutta successivamente per compiere le reazioni chimiche necessarie al suo metabolismo interno.

RIPRODUZIONE. Nei laboratori, sono presenti sintetizzatori capaci di costruire nuovo Dna, la molecola che contiene le informazioni necessarie alla sopravvivenza dell’organismo. Ma per riprodursi, oltre che replicare il Dna (a destra), la cellula deve anche dividersi in due: un processo difficile da riprodurre (ma su questo aspetto gli studi sono in fase avanzata).

COMUNICAZIONE. Per vivere, le cellule devono comunicare con l’esterno: ricevere i nutrienti, accorgersi delle variazioni dell’ambiente (temperatura, acidità ecc…) e difendersi da eventuali minacce. Lo fanno attraverso la loro membrana (nella riproduzione a destra) che contiene molte proteine specializzate per le varie funzioni.

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