SpudCell: creata una cellula vivente da zero? Non proprio

Un prototipo di cellula costruito in laboratorio a partire da 36 geni può nutrirsi, crescere e moltiplicarsi in una piastra di Petri: può compiere, cioè, molte funzioni che sono caratteristiche delle cellule viventi. La SpudCell, questo il nome della proto-cellula di cui tutti parlano, una creazione di un gruppo di ricerca a guida di Kate Adamala, biologa dell’Università del Minnesota, rappresenta un passo in avanti importante per la biologia sintetica. Ma non si può affermare con leggerezza, come in molti fanno in queste ore, che sia paragonabile a una vera cellula, o che sia stata generata da zero.

La SpudCell è una cellula costruita a partire “dal basso”. Gli ingredienti di base sono 36 geni presi in prestito dal batterio E. coli, da fagi (virus che infettano batteri) e – in piccola parte – da una medusa, che ha prestato quelli per codificare una proteina fluorescente così da rendere la cellula visibile.

Nel complesso, il genoma di una SpudCell è 50 volte più piccolo di quello di un tipico batterio. Si è optato per un numero limitato di geni in modo tale che, in questo sistema, ogni elemento fosse controllabile e potesse essere modificato singolarmente, e che fosse allo stesso tempo possibile per la cellula compiere alcune funzioni di base come la copiatura del DNA.

I geni sono stati organizzati in 7 frammenti circolari di DNA, così da non lavorare con stringhe di DNA troppo grandi, e immersi in una specie di “zuppa” contenente minuscole sfere d’acqua larghe pochi millesimi di millimetro, i liposomi, oltre a proteine e ribosomi, le macchine molecolari necessarie per trascrivere il DNA in RNA messaggero e tradurre l’RNA in proteine.

Una curiosità sul nome: spud vuol dire patata, termine scelto per la forma della proto-cellula, ma il termine SpudCell è anche un richiamo allo Sputnik, primo satellite artificiale lanciato in orbita, e all’alba dell’era spaziale, poiché i ricercatori vogliono porsi come pionieri di un nuovo corso della biologia sintetica.

Tornando alla zuppa, alcuni dei liposomi nella soluzione hanno finito per inglobare tutte le diverse parti del genoma spezzettato previsto per la SpudCell. Nella soluzione di partenza sono anche stati inseriti minuscoli liposomi nutritori contenenti lipidi per la membrana di questa simil cellula, oltre a ribosomi, enzimi e piccole molecole necessarie al suo funzionamento. 

La fusione con le capsule “nutrienti” è, spiegano i ricercatori, «innescata da una proteina che la cellula produce a partire dal proprio DNA».

È quindi il genoma a controllare «se SpudCell si nutre, quanto velocemente cresce e quanto diventa grande. Nutrirsi in questo modo, anziché svolgere un metabolismo completo, permette a SpudCell di completare un intero ciclo cellulare con un genoma molto più piccolo di quello necessario a una cellula naturale».

Il DNA di partenza permette di controllare anche altre funzioni, come la replicazione del genoma la divisione cellulare. La cellula è inoltre capace di selezione: quando i ricercatori hanno introdotto una mutazione vantaggiosa, le SpudCell che le possedevano sono cresciute più velocemente, soppiantando quelle originali dopo alcune generazioni. Tuttavia, la mutazione è stata introdotta deliberatamente dall’esterno, non si è verificata spontaneamente. Non si può perciò parlare di evoluzione darwiniana.

In progetti precedenti, come quelli del J. Craig Venter Institute (JCVI), si era scelto un approccio “top-down”: partendo dai geni di un batterio vivente naturale si era limato il genoma così da arrivare al più piccolo in grado di mantenere la cellula in vita. In questo caso si è optato per l’approccio opposto, “bottom-up”: singoli componenti prelevati da diversi organismi sono stati assemblati così da poter controllare ogni elemento in maniera meticolosa, e in modo che non ci fossero geni con funzioni sconosciute.

Come scrivono i suoi creatori, anche se SpudCell svolge alcuni dei comportamenti spesso utilizzati per distinguere gli esseri viventi da quelli inerti, «è molto più semplice di qualsiasi cellula naturale ed è stata assemblata, pezzo per pezzo, a mano. SpudCell non svolge ancora la maggior parte delle funzioni delle cellule viventi. Non è in grado di autosostenersi senza un aiuto esterno», il suo processo di divisione è molto inefficiente ed è stato innescato meccanicamente dai ricercatori, e il suo processo di replicazione fallisce dopo cinque generazioni, forse per un malfunzionamento dei ribosomi.

Anche se il lavoro dimostra che le cellule sintetiche sanno copiare alcuni comportamenti delle cellule viventi, «non sono neanche lontanamente capaci quanto le cellule viventi» scrive il Guardian. «Le SpudCells dipendono completamente dalle sostanze e dai componenti del liquido in cui sono immerse. Non sono in grado di costruire il proprio apparato di sintesi proteica, controllare il proprio metabolismo o smaltire i propri scarti. Inoltre, quando si dividono, spesso trasmettono una quantità errata di DNA. Muoiono dopo poche generazioni».

Non è neanche del tutto corretto parlare di una cellula sintetica, costruita a partire da zero, perché gran parte del corredo genetico della SpudCell proviene dall’Escherichia coli, e anche il resto del kit di partenza proviene da parti di cellule esistenti.

Si può pensare a questo organismo come a una sorta di Frankenstein che parte da un E. coli estremamente semplificato, con l’aggiunta di altri elementi presi qua e là.

Esperimenti cellulari come questo potrebbero portare un giorno a cellule sintetiche utili per la produzione di alimenti, farmaci, materiali, combustibili. Adamala e colleghi hanno deciso di lanciare un’istituzione senza scopo di lucro chiamata Biotic per coordinare gli sforzi di ricerca sulle SpudCell e accelerare il lavoro. Anche l’articolo scientifico che descrive la proto-cellula, rigettato dalla rivista scientifica Cell, è stato caricato sul server di articoli in prepubblicazione bioRxiv, così da risultare pubblicamente consultabile, dopo essere stato inviato sotto embargo ai giornali. Un approccio quanto meno poco convenzionale.