Craig Venter - DNA e mare

Durante l'intervallo alcune persone mi hanno chiesto dei commenti riguardo al dibattito sull'invecchiamento. E questo è il mio solo commento Cioé, ho capito che gli ottimisti sopravvivono di gran lunga ai pessimisti. (Risate)

Quello che vi racconterò nei miei 18 minuti è di come stiamo per passare dalla lettura del codice genetico, alle fasi inziali del codice scritto da noi. Questo mese sono appena dieci anni da quando noi pubblicammo la prima sequenza di un organismo vivente, ossia, dell'haemophilus influenzae. Il sequenziamento di un genoma fu ridotto da 13 anni a 4 mesi. Ora lo stesso progetto genoma richiede un ordine di tempo di due-otto ore. Nell'ultimo decennio, si sono aggiunti un numero enorme di genomi: la maggior parte dei patogeni umani, un paio di piante, alcuni insetti e alcuni mammiferi, incluso il genoma umano. A pensare con la genomica a quello stadio poco piu' di 10 anni fa avremmo avuto entro la fine dell'anno tra tre e cinque genomi sequenziati; oggi siamo nell'ordine delle centinaia. Abbiamo appena avuto un finanziamento della Fondazione Gordon and Betty Moore per sequenziare 130 genomi questo anno, come progetto a parte dagli organismi naturali. Quindi il tasso di lettura del codice genetico è cambiato.

Ma quando guardiamo cosa c'è là fuori, abbiamo appena graffiato la superficie di quello che è presente sul pianeta. La maggior parte della gente non lo immagina, perche' è invisibile, ma i microorganismi sono la metà della biomassa terrestre. mentre tutti gli animali sono all'incirca un millesimo di tutta la biomassa. Magari ad Oxford questo non fanno molto spesso ma se mai arrivate al mare, e ingoiate una boccata di acqua marina, tenete presente che ogni millilitro contiene circa un milione di batteri e qualcosa come 10 milioni di virus.

Meno di 5000 specie di microbi sono state caratterizate solo due anni fa, così abbiamo deciso di fare qualcosa per rimediare. E abbiamo intrapreso la Spedizione Sorcerer II dove abbiamo, come le grandi spedizioni ocenaografiche, cercato di campionare l'oceano ogni 200 miglia. Per il progetto pilota abbiamo cominciato alle Bermuda Poi siamo saliti verso Halifax continuando verso la costa est degli USA il mare Caraibico, il canale di Panama, per le Galapagos e poi attraverso il Pacifico e ora è in corso la navigazione attraverso l'Oceano Indiano. E' un compito difficile; lo stiamo facendo con un vascello in parte per entusiasmare i giovani che approcciano la scienza Gli esperimenti sono incredibilmente semplici. Si prende l'acqua di mare e la si filtra, e si raccolgono gli organismi in base ai filtri. Poi portiamo il loro DNA nel nostro laboratorio a Rockville, dove sequenziamo centinaia di migliaia di lettere del codice genetico ogni 24 ore. E facendo questo, abbiamo fatto delle incredibili scoperte.

Per esempio, si credeva che i pigmenti visivi nei nostri occhi -- che ci fossero solo uno o due organismi nell'ambiente che li avessero come noi. Invece, quasi tutte le specie nella parte superiore dell'oceano nelle zone calde del pianeta hanno gli stessi fotorecettori, e usano la luce del sole come fonte energetica e per la comunicazione. Da un unico sito, in un barile di acqua marina, abbiamo scoperto 1,3 milioni di specie nuove e qualcosa come 50.000 specie nuove.

Stiamo estendendo questo all'aria ora con un finanziamento della Fondazione Sloan. Stiamo misurando quanti virus e batteri tutti noi espiriamo ed inspiriamo ogni giorno, specialmente sugli aerei o nei auditori chiusi. (Risate) FIltriamo con dei semplici apparati; raccogliamo circa un miliardo di microbi in un solo giorno filtrando l'aria dalla cima di un palazzo a New York. E stiamo sequenziando tutto questo al momento.

Riguardo alla raccolta dei dati, stiamo analizzando le Galapagos, stiamo scoprendo che circa ogni 200 miglia vediamo una diveristà enorme nei campioni dell'oceano. Alcune osservazioni sono logiche, in termini di gradienti di temperatura. Allora, questa è una foto dal satellite basata sulle temperature -- rosso indica caldo, blu indica freddo -- e noi riscontriamo una differenza incredibile tra i campioni di acqua calda e quelli di acqua fredda, in termini di abbondanza di specie. L'altra cosa che ci ha sorpreso abbastanza è che questi recettori rilevano lunghezze d'onda luminose diverse, e noi possiamo predirle in base alla sequenza proteica. E questa varia enormemente da regione a regione. Forse non sorprende, che nelle profondità, dove il piu' è blu i fotorecettori tendono a vedere la luce blu. Quando c'è molta clorofilla intorno, loro vedono molta luce verde. Ma possono variare anche di piu', forse avvicinandosi all'infrarosso e ultravioletto come estremi.

Solo per provare ad avere una stima di quale fosse il repertorio di geni, abbiamo assemblato tutti i dati -- inclusi quelli di tutte le spedizioni fino ad ora che rappresentano piu' della meta' di tutti i geni del pianeta -- e il totale ammonta a circa 29 milioni di geni. Abbiamo provato a organizzare questi geni in famiglie per capire cosa stiamo scoprendo: Stiamo scoprendo nuovi membri di famiglie già note oppure stiamo scoprendo nuove famiglie? Ed è venuto fuori che abbiamo circa 50.000 maggiori famiglie geniche, ma ogni nuovo campione prelevato dall'ambiente aggiunge dati in maniera lineare. Percio' noi siamo agli stadi iniziali della scoperta dei geni di base, componenti e vita di questo pianeta.

Quando guardiamo il cosiddetto albero dell'evoluzione noi siamo nell'angolo in alto a destra con gli animali. Dei circa 29 milioni di geni, noi ne abbiamo solo 24.000 circa nel nostro genoma. E se considerate tutti gli animali insieme, probabilmente ne condividiamo meno di 30.000 e chissa' forse una dozzina o piu' di migliaia di famiglie geniche differenti. Ora capisco che questi geni sono non solo i componenti del design dell'evoluzione. E noi pensiamo con una visione gene-centrica forse ricollegandoci alle idee di Richard Dawkins piuttosto che con una visione genoma-centrica, i quali sono assemblaggi differenti dei geni che li compongono.

Il DNA sintetico, la capacità di sintetizzare DNA, è cambiata circa con lo stesso passo del sequenziamento del DNA nell'ultimo decennio o due, e sta diventando molto veloce e molto economico. Il primo pensiero sul genoma sintetico ci venne quando sequenziammo il secondo genoma, nel 1995, e quello dal micoplasma genitalium. E abbiamo delle T-shirts carine che dicono, capito, "Io amo il mio genitalium." In realtà questo è solo un microorganismo. Ma ha circa 500 geni. Haemophilus ha 1.800 geni. Cosi' ci siamo semplicemente chiesti, se una specie ha bisogno di 800, un'altra di 500, c'è un set di geni piu' piccolo che definisce un sistema operativo minimo?

Così abbiamo cominciato a fare la mutagenesi con trasposoni. I transposoni sono solo piccoli pezzi di DNA che si inseriscono casualmente nel codice genetico. E se si inseriscono nel mezzo di un gene, ne annullano la funzione. Così abbiamo creato una mappa di tutti i geni che potevano ricevere inserimento di transposoni e li abbiamo definiti "geni non-essenziali" Ma è risultato che l'ambiente è critico e si puo' solo definire un gene come essenziale o non basandosi su quello che c'è esattamente nell'ambiente. Abbiamo anche provato un approccio piu' intellettuale con il genoma di 13 organismi correlati, e abbiamo provato a compararli per vedere cosa avessero in comune. E abbiamo ottenuto queste intersezioni. E abbiamo trovato solo 173 geni comuni a tutti e 13 gli organismi. L'insieme si potrebbe espandere se ignorassimo un parassite intracellulare; si è espanso anche di più quando abbiamo esaminato i set di geni centrali fino a 310 piu' o meno. Dunque noi pensiamo che possiamo ampliare o restringere i genomi, dipendentemente dal punto di vista, fino a 300 forse o 400 geni da un minimo di 500.

L'unico modo per provare queste idee era di assemblare un cromosoma artificiale con questi geni, e lo abbiamo dovuto fare con un metodo a blocchi. Abbiamo scoperto che la sintesi precisa del DNA in lunghi pezzi era estremamente difficile. Ham Smith e Clyde Hutchison, i miei colleghi, hanno sviluppato un nuovo metodo molto eccitante che ci ha permesso di sintetizzare un virus di 5000 paia di basi in sole due settimane con un'accuratezza del 100 per cento, in termini di sequenza e biologia. E' stato un esperimento piuttosto eccitante -- quando abbiamo preso il DNA sintetico e lo abbiamo iniettato nei batteri e all'improvviso il DNA a guidato la produzione delle particelle virali che si sono rivoltate contro i batteri uccidendoli. Questo non è il primo virus sintetico -- un poliovirus fu sintetizzato un anno prima -- ma un milionesimo di volte meno attivo e fu sintetizzato in 3 anni. Questa immagine rappresenta la struttura di Phi X-174. Questo è la scatola dove il software ora costruisce il suo hardware, e questa è il concetto che abbiamo della biologia.

La gente si preoccupa immediatamente della guerra biologica, e ho recentemente testimoniato di fronte ad un comitato del Senato e il governo americano ha creato un comitato speciale che si occupi di questa area. E credo che sia importante tenere a mente la realtà, rispetto a quello che succede con l'immaginazione delle persone. In pratica, di ogni virus sequenziato fino ad oggi -- il genoma si può fare. E la gente si agita subito su cose come Ebola o vaiolo, ma il DNA proveniente da questi organismi non è infettivo. Quindi anche se qualcuno produce il genoma del vaiolo, il DNA in sè non causerà infezioni. Il timore reale che ha il dipartimento di sicurezza è il disegnatore di virus. E ci sono solo due paesi, gli USA e quella che fu l' Unione Sovietica che si impegnarono maggiormente nella creazione di agenti per la guerra biologica. Se la ricerca e' davvero terminata, ci dovrebbe essere una piccolissima attività sulla conoscenza di come disegnare virus in futuro.

I credo che organismi unicellulari saranno possibili in un paio di anni. E forse le cellule eucariotiche, quelle che abbiamo noi, saranno possibili un decennio. Dunque, ora noi stiamo realizzando una dozzina di costrutti diversi perche' possiamo variare i blocchi e i geni che vanno in questo cromosoma artificiale. Il punto cruciale è, come mettiamo tutti gli altri? Siamo partiti con questi frammenti, e poi abbiamo il sistema di ricombinazione omologa che riassembla quelli in un cromosoma.

Questo deriva da un organismo, deinococcus radiodurans, che puo' ricevere 3 milioni di rad di radiazioni e non morire. E' in grado di riassemblare il suo genoma dopo questo scoppio di radiazioni in 12-24 ore, dopo che i suoi cromosomi sono letteralmente esplosi. Questo organismo è onnipresente nel pianeta, e probabilmente ora esiste anche nello spazio a causa dei nostri viaggi. Questo è un bicchiere di vetro dopo circa mezzo milione di rad di radiazioni. Il vetro ha cominciato a bruciare e a rompersi, mentre i microbi adagiati sul fondo sono sempre più felici. Questa e' un'immagine di quello che accade: in alto si vede il genoma dopo 1,7 milioni di rads di radiazioni. I cromosomi sono letteralmente esplosi. E qui c'e' lo stesso DNA automaticamente riassemblato 24 ore piu' tardi. E' veramente impressionante che questi organismi possono fare cio' e probabilmente ci sono migliaia, se non decine di migliaia di specie diverse su questo pianeta capaci di fare questo. Dopo che questi genomi sono sintetizzati, il primo passo e' di trapiantarli in una cellula senza genoma.

Noi crediamo che le cellule sintetiche avranno un potenziale incredibile non solo per comprendere la biologia di base ma, si spera, anche per i problemi dell'ambiente e della societa'. Ad esempio, il terzo microorganismo sequenziato da noi, Methanococcus jannaschii: vive alla temperatura di bollimento dell'acqua, la sua sorgente di energia e' l'idrogeno e tutto il suo carbonio viene dalla CO2 che recupera dall'ambiente. Dunque, noi conosciamo diverse vie, migliaia di organismi diversi ora che vivono di CO2, e la possono recuperare. Quindi invece di usare carbonio dal petrolio per processi di sintesi, abbiamo l'opportunita' di usare carbonio e ricatturarlo dall'atmosfera, convertendolo in biopolimeri o altri prodotti. Esiste un microorganismo che vive di monossido di carbonio, e lo usiamo come potere riducente per dissociare l'acqua e produrre idogeno e ossigeno. Inoltre, ci sono molte vie che si possono ingegnerizzare per metabolizzare metano. E DuPont gestisce un importante programma con Statoil in Norvegia per catturare e convertire il metano dai giacimenti in prodotti utili.

In poco tempo, credo che si creera' un nuovo campo chiamato Genomica Combinatoriale, perche' con queste nuove capacita' di sintesi, questo sconfinato repertorio di geni e la ricombinazione omologa, noi crediamo di poter disegnare un robot per fare forse un milione di cromosomi differenti al giorno. Quindi, come per la biologia in genere, ottiene la selezione tramite test, che tu sia testando la produzione di idrogeno, o produzione chimica, o solo sopravvivenza. Capire il ruolo di questi geni sara' ha portata di mano.

Stiamo cercando di modificare la fotosintesi per produrre idrogeno direttamente dalla luce solare. La fotosintesi e' modulata dall'ossigeno, e noi abbiamo una idrogenasi resistente all'ossigeno che pensiamo cambiera' completamente il processo. Stiamo anche combinando cellulasi, gli enzimi che scompongono zuccheri complessi in semplici e la fermentazione nelle stesse cellule per la produzione di etanolo. La produzione farmaceutica si sta gia' avviando nei laboratori piu' grandi usando microbi. La chimica dei composti naturali e di ordini di magnitudine piu' complessa di quella che il nostro chimico migliore possa produrre. Penso che le specie ingegnerizzate del futuro potranno essere la sorgente di cibo, speriamo la sorgente di energia, e rimdedi per l'ambiente e forse sostituiranno l'industria petrolchimica.

Fatemi chiudere con degli studi etici e politici. I nostri esperimenti nel 1999 sono iniziati in ritardo, al completamento della indagine bioetica di un anno e mezzo, sulla possibilità di provare a generare una specie artificiale. Tutte le maggiori religioni hanno partecipato. In realta' fu uno studio molto strano, perche' i vari leader religiosi usavano le scritture come libri di legge e non vi trovavano nulla che proibisse di creare la vita, quindi dovrebbe essere OK. La sola maggiore preoccupazione erano gli aspetti della guerra bilogica, ma ci hanno dato l'OK per cominciare gli esperimenti per gli scopi per cui li stiamo facendo.

Proprio ora la Fondazione Sloan ha finanziato uno studio multi-istituzionale, per capire quali siano i rischi e i benefici per la societa', e le regole che i team scientifici come il mio dovrebbero usare in questo campo, e noi cerchiamo di dare il buon esempio mentre continuiamo. Questi problemi sono complicati. Tranne che per la minaccia del bio-terrorismo, sono problemi semplici, in questi termini, possiamo disegnare qualcosa che produca energia pulita, forse rivoluzionando quello che i paesi in via di sviluppo possono fare e fornire tramite diversi processi semplici. Mille grazie.