Con i suoi occhi curiosi, il muso peloso e la pelliccia lussureggiante, il topo, soprannominato Xiao Zhu, o Little Bamboo, si è abilmente appollaiato su uno stelo di bambù, assumendo una bella posa per la fotocamera. Ma questo topo non esiste in natura.
Realizzato in un laboratorio a Pechino, Xiao Zhu supera i limiti del possibile per l'ingegneria genetica e la biologia sintetica. Invece di ospitare le solite 20 paia di cromosomi, il topo e le sue coorti di fratelli hanno solo 19 paia. Due frammenti di cromosomi diversi sono stati fusi artificialmente insieme in un audace esperimento che chiedeva: invece di modificare singole lettere del DNA o più geni, possiamo risintonizzare all'ingrosso un playbook genomico esistente, rimescolando enormi blocchi di materiale genetico allo stesso tempo?
È un'idea al chiaro di luna. Se il genoma è un libro, l'editing genetico è come l'editing di copie: modificare un errore di battitura qua e là o correggere più errori grammaticali con modifiche accuratamente posizionate.
L'ingegneria a livello di cromosoma è una bestia completamente diversa: è come riorganizzare più paragrafi o spostare sezioni complete di un articolo e sperare contemporaneamente che le modifiche aggiungano capacità che possono essere trasmesse alla generazione successiva.
Riprogrammare la vita non è facile. La composizione del DNA di Xiao Zhu è costruita da lettere genetiche già ottimizzate da eoni di pressione evolutiva. Non sorprende che armeggiare con un libro genomico consolidato spesso si traduca in una vita che non è praticabile. Finora, solo il lievito è sopravvissuto al rejiggering dei loro cromosomi.
I nuovo studio, pubblicato in Scienze, ha reso possibile la tecnologia per i topi. Il team ha fuso artificialmente frammenti di cromosomi di topo. Una coppia fusa composta dai cromosomi quattro e cinque è stata in grado di supportare embrioni che si sono trasformati in topi sani, anche se con comportamenti alquanto strani. Sorprendentemente, anche con questo passaggio tettonico alla loro genetica normale, i topi potrebbero riprodursi e trasmettere le loro stranezze genetiche ingegnerizzate a una seconda generazione di discendenti.
"Per la prima volta al mondo, abbiamo ottenuto un completo riarrangiamento cromosomico nei mammiferi, facendo una nuova svolta nella biologia sintetica", disse autore dello studio Dr. Wei Li presso l'Accademia cinese delle scienze.
In un certo senso, la tecnica imita l'evoluzione a una velocità vertiginosa. Sulla base dei dati esistenti sui tassi di mutazione, il tipo di scambio genetico qui introdotto richiederebbe generalmente milioni di anni per essere raggiunto naturalmente.
Lo studio non è perfetto Alcuni geni nei topi ingegnerizzati erano sintonizzati in modo anomalo, simile a uno schema solitamente osservato nella schizofrenia e nell'autismo. E sebbene i topi fossero cresciuti fino all'età adulta e potessero allevare cuccioli sani, il tasso di natalità era molto inferiore a quello dei loro coetanei non ingegnerizzati.
Anche così, lo studio è un tour de force, disse il biologo evoluzionista Dr. Harmit Malik del Fred Hutchinson Cancer Center di Seattle, che non è stato coinvolto nello studio. Ora abbiamo questo "splendido kit di strumenti" per affrontare questioni in sospeso riguardanti i cambiamenti genomici su scala più ampia, facendo potenzialmente luce sulle malattie cromosomiche.
Aspetta, cosa sono di nuovo i cromosomi?
Il lavoro attinge al manuale genetico di lunga data dell'evoluzione per la costruzione di nuove specie.
Torniamo indietro. I nostri geni sono codificati in catene a doppia elica del DNA, che assomigliano a nastri che galleggiano all'interno della cellula. Non è efficiente in termini di spazio. La soluzione della natura è avvolgere ogni catena attorno a un rocchetto proteico, come fette di prosciutto arrotolate su un bastoncino di mozzarella. Ulteriori torsioni racchiudono queste strutture in minuscoli dischi - perline su un filo - che poi si avvolgono nei cromosomi. Al microscopio, assomigliano principalmente alla lettera X.
Ogni specie porta un determinato numero di cromosomi. Le cellule umane, ad eccezione di spermatozoi e uova, ospitano tutte 46 singoli cromosomi disposti in 23 coppie, ereditati da ciascun genitore. I topi da laboratorio, al contrario, hanno solo 20 paia. L'insieme completo dei cromosomi è chiamato cariotipo, derivato dalla parola greca "kernel" o "seme".
La miscelazione e la corrispondenza dei cromosomi è stata a lungo una parte dell'evoluzione. Secondo le stime attuali, un roditore accumula generalmente circa 3.5 riarrangiamenti cromosomici ogni milione di anni; alcuni segmenti vengono eliminati, altri duplicati o mescolati. Per i primati, il tasso di cambiamento è circa la metà. Lo spostamento di frammenti di cromosomi può sembrare drastico per qualsiasi animale, ma quando possibile, i cambiamenti aprono la strada all'evoluzione di specie completamente diverse. Il nostro cromosoma due, ad esempio, è stato fuso da due separati, ma il tweak non è presente nel gorilla, il nostro stretto cugino evolutivo.
Il nuovo studio mirava a fare di meglio dell'evoluzione: usando l'ingegneria genetica, si chiedeva, possiamo condensare milioni di anni di evoluzione in pochi mesi? Non è solo per curiosità scientifica: le malattie cromosomiche sono alla base di alcuni dei nostri enigmi medici più difficili, come la leucemia infantile. Gli scienziati hanno precedentemente attivato il riarrangiamento cromosomico utilizzando le radiazioni, ma i risultati non erano facilmente controllabili, rendendo impossibile per gli animali la nascita di una nuova prole. Qui, i biologi sintetici hanno adottato un approccio più mirato.
Il primo passo è capire perché i cromosomi sono resistenti a grandi cambiamenti nella loro organizzazione. A quanto pare, un grave ostacolo allo scambio o alla fusione di frammenti di cromosomi è una stranezza biologica chiamata imprinting.
Riceviamo cromosomi da entrambi i genitori, con ogni set contenente geni simili. Tuttavia, solo un set è acceso. Il modo in cui funziona il processo di imprinting rimane misterioso, ma sappiamo che ostacola la capacità delle cellule embrionali di svilupparsi in più tipi di cellule mature e limita il loro potenziale per l'ingegneria genetica.
Torna in 2018, lo stesso team ha scoperto che l'eliminazione di tre geni può annullare il programma biochimico di imprinting nelle cellule staminali. Qui, hanno usato queste cellule staminali "sbloccate" per rattoppare geneticamente due coppie di cromosomi.
Per prima cosa hanno messo gli occhi sui cromosomi uno e due, i due più grandi nel genoma di un topo. Usando CRISPR, il team ha diviso i cromosomi, consentendo loro di scambiare blocchi genetici e riformarsi in costrutti genetici stabili. Le cellule che ospitavano il cambiamento cromosomico sono state quindi iniettate negli ovociti, gli ovociti. Gli embrioni risultanti sono stati trapiantati in topi femmine surrogati per maturare ulteriormente.
Lo scambio è stato mortale. Il cromosoma artificiale, con il cromosoma due seguito dal cromosoma uno, o 2+1, ha ucciso il feto in via di sviluppo solo 12 giorni dopo il concepimento. Gli stessi due cromosomi fusi nella direzione opposta, 1+2, hanno avuto più fortuna, dando vita a cuccioli con solo 19 coppie di cromosomi. I cuccioli di topo erano anormalmente grandi per le loro dimensioni e in diversi test sembravano più ansiosi dei loro coetanei normali.
Un secondo esperimento di fusione cromosomica è andato meglio. I cromosomi 4 e 5 sono di dimensioni molto più piccole e l'embrione risultante, soprannominato 4+5, si è sviluppato in cuccioli di topo sani. Sebbene mancassero anche di una coppia di cromosomi, sembravano sorprendentemente normali: non erano così ansiosi, avevano un peso corporeo medio e, una volta maturati, diedero alla luce cuccioli a cui mancava anche una coppia di cromosomi.
In altre parole, il team ha progettato un nuovo cariotipo in una specie di mammifero che potrebbe essere tramandato di generazione in generazione.
Un intero nuovo mondo di biologia sintetica?
Per Malik, è tutta una questione di scala. Superando il problema dell'imprinting, "il mondo è la loro ostrica per quanto riguarda l'ingegneria genetica", ha detto disse a The Scientist.
Il prossimo obiettivo del team è utilizzare la tecnologia per risolvere malattie cromosomiche difficili piuttosto che progettare specie mutanti. L'evoluzione artificiale non è certo dietro l'angolo. Ma lo studio mostra la sorprendente adattabilità dei genomi dei mammiferi.
"Uno degli obiettivi della biologia sintetica è generare una vita multicellulare complessa con sequenze di DNA progettate", hanno scritto gli autori. "Essere in grado di manipolare il DNA su larga scala, anche a livello cromosomico, è un passo importante verso questo obiettivo".
Credito immagine: Accademia cinese delle scienze
