Scienziati scoprono un nuovo metodo per produrre DNA artificiale

La produzione di DNA artificiale è un processo noto da varie decine di anni. Grazie a questo tipo di conoscenza, negli ultimi anni, si è dato vita a varie idee e sperimentazioni che potessero aiutare a migliorare un po’ il mondo come lo conosciamo noi. Oggi siamo a un passo dalla creazione di un genoma sintetico che potrebbe portare alla realizzazione di antibiotici innovativi, biocarburanti e persino alimenti personalizzati preparati con un lievito speciale. A fare un ulteriore passo avanti è stato un gruppo del Californiano Lawrence Berkeley National Laboratory, il quale ha messo a punto una nuovissima metodica per generare sequenze di DNA. Ecco di cosa si tratta.

Più veloci e rapide
Grazie a nuovo metodo da ora in poi si potranno generare – in maniera nettamente più rapida – sequenze di DNA che siano più sicure, più accurate e con costi di produzione inferiori. Quest’ultimo aspetto è molto importante perché se abbiamo bisogno di un gene possiamo fare solo due cose: o prelevarlo da un organismo vivente, oppure ottenerne uno identico ma sintetizzato. Oltra a impiegare meno risorse, con quest’ultima soluzione si possono avere a disposizione geni in tempi brevissimi.

Il DNA
Abbiamo sentito parlare di DNA fin dal periodo scolastico e ancora oggi sappiamo quanto questo possa svolgere un ruolo primario nella vita nostra e dell’intero pianeta. Come sicuramente tutti voi si ricorderanno, la molecola di DNA è una sorta di scala morbida formata da pioli rigidi. Contiene unità elementari note con il nome di nucleotidi. Ognuno di essi è comportato da un particolare zucchero noto con il nome di desossiribosio, da un gruppo fosfato e da una base azotata. Quest’ultima può essere di quattro tipi, l’adenina, la citosina, la guanina e la timina. Ritornando alla nostra scala, possiamo dire che la parte laterale è composta da zuccheri e fosfato, mentre i pioli sono in realtà coppia di basi azotate. Tali coppie non sono, però, inserite a caso. L’adenina è sempre vicino alla timina e la guanina sempre alla citosina.

Come si ottiene un gene?
A questo punto vi starete chiedendo cosa sono quei fantomatici geni di cui tutti parlano, che potrebbero cambiare il corso della nostra salute. Ogni gene, in realtà, è una sequenza ben precisa di una coppia di basi azotate che possiedono l’informazione per codificare alcune proteine. Per usare di nuovo la rappresentazione della scala, possiamo dire che un gene è formato da migliaia di pioli. Chiaramente in natura se ne trovano già pronti negli esseri viventi, ma è molto più semplice sintetizzarne uno in laboratorio. «In questo secondo caso, si va su un sito Internet e si ordina la sequenza: la consegna avviene in due settimane circa. Il costo è di circa 300 dollari a gene, una ricerca su migliaia di geni può quindi costare molto cara», spiega Daniel Arlow.

I limiti dei vecchi metodi
Fino a ieri genetisti ed esperti di tutti il mondo hanno sfruttato il cosiddetto metodo Caruthers ideato una quarantina di anni fa dall’omonimo biochimico americano, Distinguished Professor presso l'Università del Colorado a Boulder. Nonostante le sue ricerche abbiano cambiato il modo di vedere il DNA, il metodo presenta alcuni svantaggi. Il più importante è che possono essere utilizzate solo 200 coppie di basi per ottenere sequenze prive di errori. Al contrario, l’idea del Berkeley Lab ha permesso di ottenere un metodo di sintesi basato sul transferasi terminale deossinucleotidica (terminal deoxynucleotidyl transferase, TDT). Si tratta di un enzima reperibile nel sistema immunitario di tutti i vertebrati. A differenza di altri, può scrivere del DNA nuovo senza per forza doverlo copiare da altre sequenze. In questo modo si ottiene un risultato molto più veloce, sicuro ed efficace. «Il DNA è un'enorme biomolecola. La natura produce biomolecole usando enzimi, e quegli enzimi sono straordinariamente bravi nel manipolare il DNA e nel copiare il DNA. In genere i nostri processi di chimica organica non sono affatto vicini alla precisione offerta dagli enzimi naturali», spiegano i ricercatori.

I problemi iniziali
Inizialmente il metodo sembrava avere anch’esso dei limiti. Per sfruttarlo, infatti, era necessario bloccarlo dopo aver inserito un solo nucleotide. Se non lo si faceva le sequenze venivano ripetute continuamente. Gli scienziati sono riusciti a ovviare al problema legando un nucleotide a ogni enzima. «Invece di cercare di scavare un buco nell'enzima, ciò che facciamo è legare un nucleotide a ciascun enzima TdT attraverso un collegamento», spiega Arlow. «In questo modo, dopo aver esteso una molecola di DNA usando il suo nucleotide legato, l'enzima non ha altri nucleotidi disponibili da aggiungere, quindi si ferma. Un vantaggio chiave di questo approccio è che la spina dorsale del DNA - la parte che effettivamente fa la reazione chimica - è proprio come il DNA naturale, quindi possiamo cercare di ottenere la massima velocità dall'enzima».

Il prossimo passo
Al momento il metodo è stato testato con successo in una sequenza di 10 basi. Ma gli scienziati sperano che gli studi futuri permetteranno di produrre un gene di 1000 basi molto velocemente. «La sintesi del DNA è al centro di tutto ciò che cerchiamo di fare quando costruiamo la biologia. Sebastian e Dan hanno creato quello che penso sarà il modo migliore per sintetizzare il DNA da quando Caruthers ha inventato la sintesi del DNA in fase solida quasi 40 anni fa. Ciò che questo significa per la scienza è che possiamo ingegnare la biologia in modo molto meno costoso - e in modi nuovi - di quanto saremmo stati in grado di fare in passato», conclude l'amministratore delegato di JBEI Jay Keasling, scienziato senior della facoltà di Berkeley Lab. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Biotechnology.

Fonti scientifiche

[1] Faster, Cheaper, Better: A New Way to Synthesize DNA - Breakthrough discovery at the Joint BioEnergy Institute could greatly accelerate the pace of science – Berkeley Lab