The Minimal Life

L’idea fondamentale di questo progetto riguarda la costruzione, in laboratorio, di una cellula minima. Questa ricerca è da considerarsi importante per tre punti di vista diversi ma complementari. In primo luogo, la costruzione della vita in laboratorio, sebbene nella forma più semplice possibile, è stata tra gli obiettivi ricercati a lungo nelle scienze della vita, e mai realizzata finora. Tale conquista potrebbe dimostrare che la vita, almeno a livello cellulare, è una proprietà emergente di sistemi chimici organizzati; conseguentemente può essere realizzata attraverso l’appropriata composizione ed organizzazione di entità molecolari semplici. In secondo luogo, la costruzione di una cellula vivente molto semplice potrebbe fornire utili indicazioni circa la struttura delle prime cellule, indubbiamente più semplice delle complesse cellule attuali. In terzo luogo, questo genere di ricerca può avere implicazioni importanti nella biotecnologia (costruzione di semplici bioreattori) nonché in applicazioni farmaceutiche (trasporto di farmaci o di interi microsistemi metabolici mediante cellule intere). Il termine “vivente” può essere utilizzato per specificare, a livello cellulare, una struttura che possiede tre proprietà fondamentali derivanti dall’analisi teorica del funzionamento cellulare, secondo l’autopoiesi: (1) auto-mantenimento (attraverso un metabolismo interno), (2) auto-riproduzione, (3) capacità di evolvere. In una struttura sintetica, simile alla cellula per architettura e funzionalità, in modo particolare nella prima fase di sperimentazione, probabilmente non saranno presenti queste tre proprietà, o almeno non in forma completamente efficace. Di conseguenza, nello sviluppo concettuale dei modelli di cellule minime, è più utile considerare diverse famiglie di protocellule, aventi vari gradi di efficacia e capacità di sviluppo. Queste cellule sintetiche o semi-sintetiche, anche se non completamente viventi, sono importanti al fine di comprendere i primi passi nell’origine delle cellule viventi. Al fine di costruire queste strutture in laboratorio, il primo requisito strutturale è quello di avere un confine, così da formare un compartimento semi-permeabile. Le vescicole lipidiche (liposomi) rappresentano un appropriato modello per lo studio e la costruzione delle membrane cellulari. Il metodo di costruzione di cellule semi-sintetiche consiste nell’inserimento, all’interno di una vescicola sintetica, di un numero minimo di geni ed enzimi, così da ottenere una cellula funzionale (v. Figura 1). Il fatto che macromolecole naturali siano usate per questo approccio, conduce alla terminologia di cellule minime “semi-sintetiche”, in quanto una parte di questo sistema è sintetica (la membrana e il sistema di assemblaggio) mentre altre parti (enzimi e geni) sono naturali. Con queste premesse, il punto successivo è quello di chiarire cosa si intende per “numero minimo di geni ed enzimi”. Il concetto di genoma minimo è strettamente connesso a questo problema. Per essere considerato vivente, un sistema cellulare deve soddisfare alcune condizioni che sono state indicate in numerose reviews [1-5]. Queste considerazioni teoriche si concretizzano in uno scenario realistico quando si esaminano studi pregressi che hanno indicato qual è il numero minimo di geni in un organismo vivente. Grazie ai dati disponibili sul genoma minimo è possibile valutare un set genico minimo di 200-300 geni. Ulteriori dettagli possono essere trovati in una review pubblicata recentemente [2]. Tuttavia, questo numero di 200-300 geni si riferisce ad una cellula moderna, completamente sviluppata.

Figura 1. La costruzione di cellule minime semi-sintetiche.

Come menzionato precedentemente, nell’ambito di questo progetto, non miriamo allo sviluppo di cellule ottimamente funzionanti, ma a cellule che possiedono un’attività ed un’efficienza ridotte. Sotto tale condizione, pensiamo che in questo caso meno restrittivo il numero di geni potrebbe essere ridotto ad un più esiguo valore di 30-40 geni. La larga maggioranza dei ricercatori ha iniziato la costruzione di cellule minime semi-sintetiche conducendo semplici e complesse reazioni biochimiche in vescicole lipidiche.

Tabella 1. Reazioni compartimentalizzate in vescicole lipidiche

Negli ultimi anni, numerosi lavori apparsi in letteratura (Tabella 1) descrivono l’inserimento di sistemi biochimici complessi in vescicole. Numerosi gruppi in tutto il mondo, in particolare quelli condotti da T. Yomo, T. Ueda, e T. Sugawara in Giappone, il nostro gruppo in Italia, D. Deamer, S. Rasmussen, A. Libchaber negli Stati Uniti, E. Szathmáry in Ungheria, G. Ourisson e Y. Nakatani in Francia [30,31], sono coinvolti questo momento in progetti che riguardano la cellula minima. In particolare, è stato possibile produrre alcune proteine introducendo tutto l’apparato ribosomale sintetico all’interno di vescicole.

[Progetto Concluso]