Un nuovo studio, pubblicato per ora sotto forma di preprint, rappresenta a mio giudizio un progresso straordinario nel campo della vita artificiale, affrontando una delle sfide più affascinanti e complesse della biologia: creare una cellula sintetica capace di autoreplicarsi e di mantenere le proprie strutture. Per comprendere la portata di questo risultato, è utile fare un passo indietro e spiegare cosa significhi costruire una cellula artificiale e perché sia così difficile.
Le cellule viventi, anche le più semplici come i batteri, sono sistemi straordinariamente complessi. Ogni cellula è composta da una membrana che racchiude e protegge un insieme di macchinari molecolari capaci di svolgere molteplici funzioni: leggere l’informazione genetica, sintetizzare proteine, replicare il proprio Dna e costruire nuovi componenti cellulari. Ricreare artificialmente anche solo una parte di questi processi ha richiesto anni di ricerca. Negli ultimi decenni, i ricercatori sono riusciti a isolare e replicare singoli moduli di queste funzioni. Ad esempio, si è riusciti a sintetizzare in laboratorio le membrane lipidiche che circondano le cellule o a replicare frammenti di Dna utilizzando enzimi specifici. Tuttavia, queste erano operazioni separate e scollegate tra loro. La sfida era integrare tutte queste funzioni in un unico sistema artificiale che potesse comportarsi come una cellula vera e propria.
Il lavoro descritto in questo studio supera questa barriera. I ricercatori hanno costruito una cellula artificiale – o più precisamente, un liposoma, ovvero una vescicola di membrana lipidica, proprio come quelle usate per incapsulare i vaccini a Rna o presenti nelle creme di bellezza – che è in grado sia di replicare un Dna contenuto al suo interno sia di produrre i lipidi necessari per la crescita della propria membrana. Queste due funzioni sono fondamentali per qualsiasi forma di vita: senza la capacità di duplicare il proprio materiale genetico e senza la possibilità di costruire o riparare la propria membrana, nessun sistema può essere considerato vivo.
Per ottenere questo risultato, gli scienziati hanno progettato un genoma sintetico chiamato Dnarep-PLsyn, che contiene sei geni specifici. Due di questi geni sono responsabili della replicazione del Dna e derivano da un virus che infetta i batteri. Gli altri quattro geni provengono dal batterio Escherichia coli e sono coinvolti nella sintesi dei fosfolipidi, i componenti principali della membrana cellulare. Questi enzimi convertono molecole semplici in fosfolipidi complessi, costruendo così nuovi strati di membrana. È stato così ottenuto il più piccolo genoma artificiale mai progettato, costituito di poco più di 9000 basi di Dna.
Una delle innovazioni chiave di questo studio è l’utilizzo del sistema Pure, un sistema di trascrizione-traduzione privo di cellule, composto solo dagli elementi essenziali per produrre proteine a partire dal Dna. Questo sistema permette alla cellula sintetica di tradurre autonomamente il proprio genoma in proteine funzionali, eliminando la necessità di enzimi o componenti pre-assemblati. In questo modo, la cellula sintetica non solo replica il suo Dna, ma produce anche le proteine necessarie per farlo e per accrescere e replicare la propria membrana, creando un ciclo auto-sostenuto di crescita e manutenzione.
Un altro risultato significativo di questo lavoro è la dimostrazione che le due funzioni – replicazione del Dna e sintesi della membrana – possono operare simultaneamente senza interferenze reciproche gravi, dovute per esempio all’avvelenamento chimico delle reazioni metaboliche di una con i prodotti dell’altra. Questo è stato verificato osservando le vescicole attraverso tecniche avanzate di microscopia e misurando l’attività enzimatica. Sebbene non tutte le vescicole riuscissero a svolgere entrambe le funzioni (replica del Dna e sintesi della membrana) contemporaneamente, una percentuale significativa mostrava la capacità di farlo, dimostrando che la coesistenza di questi processi è possibile.
Infine, i ricercatori hanno avviato un processo di evoluzione artificiale per migliorare le prestazioni delle cellule sintetiche. Questo approccio prevede di selezionare le vescicole più efficienti – quelle che riescono meglio a replicare il Dna e a sintetizzare la membrana – e di utilizzarle per creare nuove generazioni di cellule sintetiche. Questo ciclo di selezione e amplificazione imita i processi evolutivi naturali e potrebbe portare, nel tempo, a sistemi sempre più autonomi e complessi.
Il lavoro descritto è particolarmente importante perché dimostra che è possibile costruire una cellula sintetica che integra due dei processi fondamentali della vita, con una limitatissima quantità di informazione genetica. Si tratta di un passo decisivo verso la creazione di forme di vita completamente artificiali, capaci di crescere, replicarsi ed evolversi.
Anche le implicazioni di questo risultato sono profonde. Da un lato, ci avvicina alla possibilità di comprendere meglio l’origine della vita, replicando in laboratorio i processi che potrebbero aver dato origine alle prime cellule sulla Terra, attraverso sistemi artificiali molto più semplici di quanto sin qui ottenuto. Dall’altro, si apre la strada a numerose applicazioni tecnologiche. Cellule sintetiche come queste potrebbero essere utilizzate in futuro per produrre farmaci in modo più efficiente, per degradare sostanze inquinanti o per costruire sistemi bioibridi che uniscono materiali artificiali e biologici.
D’altra parte, lo stesso lavoro e l’intero campo di ricerca sollevano anche domande etiche e filosofiche profonde. Se riuscissimo a costruire una forma di vita completamente artificiale capace di vivere ed evolversi, quali responsabilità avremmo nel creare nuove forme di vita e che si evolvano? Il livello di responsabilità è lo stesso che abbiamo nell’evoluzione, per esempio, di organismi addomesticati o modificati biotecnologicamente, oppure le possibilità maggiori di creare qualcosa di completamente diverso da quanto sin qui vissuto implicano responsabilità di un grado completamente diverso? Queste sono domande che la scienza dovrà affrontare man mano che ci avviciniamo a realizzare ciò che finora sembrava solo fantascienza. Per intanto, abbiamo ottenuto il più piccolo esempio di cellula artificiale funzionante sin qui prodotto, qualcosa di non troppo dissimile da quanto deve aver dato origine a tutta la vota del nostro pianeta.