Craig Venter svela la "vita sintetica"

Oggi vogliamo annunciare la prima cellula sintetica una cellula costruita a partire dal codice genetico digitale di un computer, costruendo il cromosoma con i prodotti chimici di 4 bottiglie, assemblando quel cromosoma nel lievito, trapiantandolo in una cellula batterica, per trasformarla in una nuova specie batterica. Questa è la prima specie auto-replicante di questo pianeta che sia nata da un computer. E' anche la prima specie ad avere il suo sito web codificato nel proprio codice genetico. Ma diremo di piu' delle filigrane tra poco.

Questo progetto cominciò 15 anni fa quando il nostro gruppo di lavoro - l'istituto allora si chiamava TIGR - si dedicava a decodificare la sequenza di due genomi per la prima volta nella storia. Completammo l'Haemophilus influenzae e poi il più piccolo genoma di un organismo auto-replicante, quello del Mycoplasma genitalium. Una volta acquisite queste due sequenze pensammo che se si credeva che quello fosse il genoma più piccolo di una specie capace di auto-riprodursi forse ce ne poteva essere uno ancora più piccolo. Possiamo comprendere le basi della vita cellulare al livello genetico? E' stata una ricerca durata 15 anni solo per giungere al punto di partenza a cui siamo ora, per essere in grado di dare una risposta a quelle domande. E' estremamente difficile eliminare un gruppo di geni da una cellula, si può solo eliminare un gene alla volta. Molto presto decidemmo che bisognava adottare un approccio di sintesi, sebbene nessun altro l'avesse tentato prima, per scoprire se fosse possibile sintetizzare un cromosoma batterico, modificarne il contenuto genetico per comprendere quali fossero i geni essenziali per la vita. Questo diede inizio a 15 anni di ricerca per giungere al punto attuale.

Prima di compiere i primi esperimenti chiedemmo al gruppo di Art Caplan, al tempo alla University of Pennsylvania, di valutare quali fossero i rischi, le difficolta', e le implicazioni etiche nel creare un nuova specie in laboratorio, perchè non era mai stato fatto prima d'allora. Ci vollero circa due anni per completare la valutazione e il gruppo pubblicò le conclusioni su Science nel 1999. Ham ed io prendemmo una pausa di due anni per lavorare al progetto del genoma umano, ma quando fu completato tornammo al lavoro.

Nel 2002 fondammo un nuovo istituto, l'Institute for Biological Energy Alternatives, con due obiettivi in mente. Primo, quello di studiare l'impatto della tecnologia sull'ambiente e approfondire la comprensione dell'ambiente. Secondo, di cominciare a fare la vita sintetica per comprendere le basi della vita. Nel 2003 pubblicammo il nostro primo successo. Ham Smith e Clyde Hutchinson svilupparono alcuni nuovi metodi per creare DNA privo di errori su piccola scala. Il nostro primo compito fu la creazione di un batteriofago con un codice di 5.000 lettere un virus che attacca solamente l'E. coli. Si tratta del phage phi X 174 una scelta di natura storica. Fu il primo batteriofago, DNA virale e genoma ad essere decodificato. Quando comprendemmo che potevamo sequenziare 5.000 coppie di basi, pezzi della dimensione di un virus, pensammo di avere i mezzi per produrre molte di queste parti in serie, con le quali assemblare un cromosoma da milioni di basi. Quindi considerevolmente più grande di quanto pensavamo di fare inizialmente.

Vi sono diverse fasi in questo processo, in due campi. Dovevamo risolvere gli aspetti relativi alla chimica necessaria per produrre molecole di DNA di grandi dimensioni e quelli di tipo biologico, di come, una volta realizzata questa nuova entità chimica, farla funzionare, attivarla in una cellula ospite. Impiegammo due gruppi di lavoro in parallelo, uno sulla chimica e l'altro sul provare a trapiantare cromosomi interi per ottenere nuove cellule. Inizialmente pensavamo che la sintesi sarebbe stata l'aspetto più problematico per cui scegliemmo il genoma più piccolo.

Forse avrete notato che passammo dal genoma più piccolo ad uno molto piu' grande. Vi posso spiegare le ragioni ma fondamentalmente usare una cellula piccola significa dovere attendere uno o due mesi per avere risultati, mentre con una più grande, che cresce più rapidamente ci vogliono solo due giorni. In un anno si possono completare solo un certo numero di cicli, al ritmo di sei settimane per ciclo. E dovete sapere che praticamente il 99%, o forse anche più, dei nostri esperimenti fallirono. Sin dall'inizio si trattò di un problema di ricerca degli errori e individuazione di soluzioni poichè non vi era alcuna ricetta per ottenere il risultato voluto.

Una delle nostre più importanti pubblicazioni usci' nel 2007. Carole Lartigue diresse l'attività del trapianto di un cromosoma batterico da un batterio ad un altro. Dal punto di vista filosofico, fu una delle pubblicazioni più importanti che abbiamo mai fatto perchè mostrò quanto la vita fosse dinamica. E capimmo, una volta che funziono', che vi era effettivamente una possibilità che, se fossimo riusciti a produrre cromosomi sintetici, avremmo potuto farlo anche con loro. Non sapevamo che ci sarebbero voluti molti anni per farlo.

Nel 2008 annunciammo la sintesi completa del genoma del Mycoplasma genitalium, un codice genetico di poco più di 500.000 lettere ma non eravamo ancora riusciti ad attivarne il cromosoma. Pensiamo in parte a causa della sua crescita lenta e in parte per via del fatto che le cellule hanno diversi tipi di meccanismi di difesa per prevenire eventi di questo tipo. La cellula in cui volevamo fare il trapianto possedeva una nucleasi, un enzima che degrada il DNA e che era felice di mangiarsi il DNA sintetico che le davamo e non riuscimmo a realizzare nessun trapianto. A quel tempo era la piu' grande molecola con una struttura predeterminata che fosse stata mai fatta.

Così stavamo facendo progressi su entrambi i fronti, ma una parte del processo di sintesi doveva o poteva realizzarsi per mezzo di lievito, inserendo i frammenti nel lievito, che assemblava i frammenti per noi. Fu un colossale passo avanti ma c'era un problema perchè i cromosomi batterici crescevano nel lievito. Oltre a dover fare il trapianto dovemmo trovare il modo di estrarre il cromosoma dalla cellula eucariota del lievito in una forma che ne consentisse il trapianto in una cellula ospite.

il nostro gruppo sviluppò nuove tecniche per far crescere e clonare cromosomi batterici nel lievito. Prendemmo il medesimo genoma del micoide che Carole aveva inizialmente trapiantato, e lo facemmo crescere nel lievito come un cromosoma artificiale. Pensavamo che sarebbe stato un buon sistema sperimentale per imparare a come estrarre i cromosomi dal lievito e trapiantarli. Tuttavia quando facemmo questi esperimenti benchè riuscissimo ad estrarre il cromosoma dal lievito non eravamo in grado di trapiantarlo ed avviare la cellula. Ci vollero due anni per risolvere quel problemino.

Succede che il DNA della cellula batterica viene metilato, e la metilazione lo protegge dagli enzimi di restrizione che digeriscono il DNA. Scoprimmo che estraendo il cromosoma dal lievito e facendone la metilazione potevamo trapiantarlo. Facemmo ulteriori progressi quando eliminammo i geni degli enzimi di restrizione dalla cellula ospite del capricolum. Fatto ciò, si poteva prelevare il DNA dal lievito e trapiantarlo.

Lo scorso autunno quando pubblicammo questo lavoro su "Science" diventammo tutti troppo sicuri che ci sarebbero volute solo poche settimane per giungere all'attivazione del cromosoma estratto dal lievito. Per via dei problemi con il Mycoplasma genitalium e la sua crescita lenta circa un anno e mezzo fa decidemmo di sintetizzare un cromosoma molto più grande, quello del micoide, sapendo che avevamo risolto i problemi di tipo biologico per il trapianto. Dan diresse il gruppo che lavorò sulla sintesi di questo cromosoma da più di un milione di coppie di basi. Ma non fu così semplice. Perdemmo tre mesi perchè c'era un errore tra piu' di un milione di coppie di basi della sequenza.

Cosicchè creammo un programma di ricerca di errori grazie al quale potemmo testare ogni singolo frammento per verificare se fosse in grado di svilupparsi in una coltura della versione originale del DNA (detto wildtype). Scoprimmo che 10 degli 11 frammenti da 100.000 coppie di basi che avevamo sintetizzato erano prive di errori e compatibili con una sequenza di DNA in grado di generare la vita. Individuammo il frammento Ne analizzammo la sequenza e ci risultò che una coppia di basi di un gene fondamentale era stata cancellata. La precisione è essenziale. Vi sono parti del genoma che non tollerano alcun tipo di errore e altre parti in cui si possono inserire interi blocchi di DNA, come nel caso dei marchi di filigrana, dove qualsiasi tipo di errore viene tollerato. Ci vollero circa tre mesi per trovare l'errore e ripararlo. Finchè un giorno, alle 6 del mattino, ricevemmo un messaggio da Dan che annunciava l'esistenza delle prime colonie blu.

Ci è voluto molto tempo per raggiungere il traguardo -- in tutto 15 anni. Riteniamo che uno dei principi fondamentali in questo campo sia di essere assolutamente sicuri di poter distinguere il DNA sintetico dal DNA naturale. All'inizio della ricerca in un nuovo campo, occorre pensare a possibili trabocchetti e cosa possa far credere di avere ottenuto un risultato quando non e' vero, e, anche peggio, a non indurre in errore qualcun altro. Pensammo che il problema peggiore sarebbe stato la contaminazione con una singola molecola del cromosoma originale con la convinzione di aver creato una cellula sintetica mentre era solo una contaminazione.

Fin dall' inizio seguimmo il principio di inserire marchi di filigrana nel DNA in modo da essere sicuri che il DNA fosse di natura sintetica. Nel primo cromosoma che assemblammo nel 2008 quello da 500.000 coppie di basi, inserimmo i nomi degli autori del cromosoma nel codice genetico. Fu ottenuto usando il codice a lettera singola per gli aminoacidi che non contiene tutte le lettere dell'alfabeto. Il gruppo sviluppò un nuovo codice all'interno di un codice contenuto in un altro codice. Si tratta di un nuovo modo di scrivere e interpretare messaggi nel DNA Da tempo i matematici hanno nascosto e scritto messaggi nel codice genetico ma è evidente che si tratta di matematici e non di biologi perchè scrivere lunghi messaggi usando il codice sviluppato dai matematici potrebbe molto probabilmente risultare nella sintesi di nuove proteine dalle funzioni ignote.

Per questo il codice sviluppato da Mike Montague e la sua equipe prevede il frequente inserimento di codoni di terminazione. Si tratta di un alfabeto diverso ma che ci consente di utilizzare tutte le lettere dell'alfabeto inglese con punteggiatura e numeri. Vi sono in tutto quattro marchi di filigrana principali sparsi su un migliaio di coppie di basi di codice genetico. Il primo dei marchi contiene il codice necessario per interpretare la restante parte del codice genetico. Nella parte restante dei marchi vi sono i nomi di credo 46 autori e i contributori principali al progetto fino allo stadio attuale. Vi abbiamo anche inserito un indirizzo web cosicchè se qualcuno decifra il codice all'interno del codice contenuto nel codice può spedire un'email a quell'indirizzo. Quindi questa può essere chiaramente distinguibile da tutte le altre specie siccome contiene 46 nomi e un indirizzo web. Abbiamo anche aggiunto tre citazioni perchè, con il primo genoma, venimmo criticati per non avere provato a dire qualcosa di significativo a parte mettere le nostre firme.

Non vi darò tutta la parte restante del codice, ma solamente le tre citazioni La prima: "Vivere, errare, cadere, trionfare e ricreare la vita dalla vita." è una frase di James Joyce La seconda e' "Vedere le cose non per ciò che sono, ma per quello che potrebbero essere." E' una citazione da "American Prometheus" un libro su Robert Oppenheimer. L'ultima è di Richard Feynman. "Ciò che non sono in grado di costruire, non mi è dato di capire." Poichè vi è progresso sia filosofico che tecnico nella scienza abbiamo cercato di trattare gli aspetti filosofici e tecnici.

L'ultima cosa che vorrei dire prima delle vostre domande è che l'ampio lavoro che abbiamo compiuto richiedendo una valutazione delle implicazioni etiche, insistendo su quel fronte quanto su quello tecnico, vi sono state lunghe discussioni nella comunità scientifica, a livello della comunità politica e ai massimi livelli del governo federale. Anche con questo annuncio, così come nel 2003 -- quel lavoro era finanziato dal Dipartimento per l'Energia-- cioè il lavoro fu esaminato a livello della Casa Bianca per decidere se rendere segreto o pubblicare il nostro lavoro. E decisero di pubblicarlo, che è la decisione giusta. Abbiamo ragguagliato la Casa Bianca e i membri del Congresso. Ci siamo presi cura degli aspetti politici in parallelo ai progressi scientifici.

Quindi, detto questo, sono pronto a rispondere alle vostre domande. Si, lei in fondo.

Giornalista: Potrebbe spiegare in termini comprensibili ai non esperti quanto sia significativo quello che ci ha presentato?

Craig Venter: Se possiamo spiegare quanto sia significativo? Non credo sia compito nostro spiegare quanto sia significativo. Per noi e' importante. Da un punto di vista filosofico e' forse un cambiamento enorme di come vedere la vita. Per noi è un passo minuscolo - ci sono voluti 15 anni per riuscire ad eseguire l'esperimento che volevamo compiere 15 anni fa - per comprendere la vita a livello basilare. Crediamo che questi diventeranno strumenti molto potenti e stiamo già cominciando ad usare questo strumento in molti modi diversi.

L'Instituto sta ora ricevendo finanziamenti da parte del National Institute of Health in collaborazione con Novartis per sperimentare l'uso di questi nuovi strumenti di DNA sintetico per un possibile vaccino per l'influenza che potrebbe essere pronto l'anno prossimo. Invece di necessitare di settimane o mesi per essere prodotti il gruppo di lavoro di Dan ora li può produrre in meno di 24 ore. Se pensate a quanto ci volle per produrre il vaccino per l'H1N1 pensiamo di potere accorciare il processo in modo sostanziale. Nell'ambito della produzione di vaccini l'Istituto, insieme a Synthetic Genomics, stanno fondando una nuova società perchè crediamo che questi metodi possano contribuire a creare vaccini fino ad oggi ritenuti impossibili casi in cui i virus evolvono molto rapidamente, come il rhinovirus. Non sarebbe meraviglioso avere un vaccino per il raffreddore? O, piu' importante, per l'HIV, ove il virus evolve tanto rapidamente che i vaccini di oggi non riescono a tenere il passo con il ritmo di evoluzione dei virus.

In più Synthetic Genomics sta lavorando alla soluzione di problemi ambientali Come ci ricorda ad esempio il recente versamento di petrolio nel Golfo del Messico. Non possiamo vedere la CO2; per farlo dipendiamo da misure scientifiche, e vediamo i primi risultati dell'averne troppa. Ma vediamo ora del pre-CO2 galleggiare sulle acque e contaminare le spiagge del Golfo. Ci servono alternative al petrolio. Stiamo lavorando ad un progetto con Exxon Mobil per creare una specie di alga che cattura biossido di carbonio dall'atmosfera o da sorgenti concentrate, e produce un nuovo tipo di idrocarburi che può essere raffinato e usato per produrre normale benzina e gasolio.

Questi sono solo due esempi delle direzioni che stiamo prendendo.

(Applausi)