Riassunto:
Il campo della biologia sintetica ha recentemente raggiunto traguardi significativi. L'ultima ricerca condotta da un gruppo di ricerca scientifica dell'Università della California, San Diego, USA, mostra che gli enzimi fondamentali naturalmente presenti negli organismi terrestri possono riconoscere e trascrivere con precisione una versione ampliata del codice genetico composto da otto lettere chimiche.
Questa scoperta rivoluziona la convinzione intrinseca secondo cui la vita in natura è stata costruita per miliardi di anni a partire da sole quattro basi. Dimostra che il macchinario molecolare esistente delle cellule viventi è pienamente in grado di elaborare informazioni genetiche sintetizzate artificialmente, ponendo una base molecolare chiave per il futuro sviluppo di nuova medicina di precisione, farmaci mirati e sistemi biologici ingegnerizzati.
Le informazioni genetiche di tutte le forme di vita conosciute sulla Terra sono registrate nel sistema di codifica del DNA costituito dalle quattro lettere chimiche adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Sebbene gli scienziati abbiano precedentemente sintetizzato in laboratorio nuove basi che possono essere integrate nella struttura a doppia elica del DNA (come il sistema del "DNA a otto caratteri" contenente le quattro basi sintetiche P, Z, B e S), se queste lettere innaturali possano essere analizzate con precisione dal meccanismo di lettura all'interno delle cellule naturali è sempre stato il collo di bottiglia principale per l'applicazione pratica della biologia sintetica.
Nell'ultimo studio pubblicato su Nature Communications, il gruppo di ricerca si è concentrato sull'enzima chiave dell'espressione genica, la RNA polimerasi (RNA polimerasi). I ricercatori hanno utilizzato la tecnologia della microscopia crioelettronica (Cryo-EM) per catturare con successo un’istantanea dinamica della struttura tridimensionale della RNA polimerasi di Escherichia coli (E. coli) quando legge e trascrive basi sintetiche su una scala ad alta risoluzione inferiore alla larghezza di un singolo atomo. I dati sperimentali mostrano che quando questo enzima naturale elabora coppie di basi sintetiche, la sua precisione ed efficienza di trascrizione sono altamente paragonabili a quelle delle coppie di basi naturali.
L'analisi strutturale ha inoltre rivelato che la RNA polimerasi non rifiuta queste lettere sintetiche come "oggetti estranei", ma le riconosce accuratamente attraverso nodi di segnali strutturali e chimici che sono quasi gli stessi utilizzati per riconoscere le basi naturali. Inoltre, il gruppo di ricerca ha anche scoperto in un altro studio supplementare pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS) che l’RNA polimerasi può riconoscere e trascrivere accuratamente anche alcune coppie di basi innaturali prive delle tradizionali forze di legame idrogeno, il che espande notevolmente lo spazio di progettazione degli alfabeti genetici artificiali.
Espandere l'alfabeto genetico da quattro a otto significa un aumento geometrico della capacità di archiviazione delle informazioni. I 64 codici genetici originariamente composti da tre combinazioni di lettere si espanderanno in modo esplosivo, rendendo possibile la progettazione e la sintesi artificiale di nuovi amminoacidi e proteine funzionali che non esistono in natura. I ricercatori hanno sottolineato che questa tecnologia ha già mostrato vantaggi unici nel campo della diagnostica molecolare, come l’identificazione mirata delle cellule tumorali del fegato, e questa volta ha conquistato il meccanismo di trascrizione degli enzimi naturali, eliminando completamente gli ostacoli tecnici all’utilizzo di bioreattori di cellule ospiti per produrre farmaci sintetici e biomateriali avanzati.
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