Combinabile come i mattoncini Lego – Ricercatori sviluppano un kit genetico per le alghe verdi

Un team internazionale di ricercatori guidato dal professore associato Dr. Felix Willmund (a sinistra) e dal Professor Dr. Michael Schroda ha sviluppato un kit genetico per l'alga verde. (Foto: Koziel/TUK)

Il grafico mostra come funziona il kit di costruzione. I singoli blocchi genici possono essere combinati come i Lego. (Foto: Schroda)

Nel patrimonio genetico delle cellule è simile a quello delle fabbriche: i geni controllano e regolano la produzione di proteine. Nell'industria, spesso è utile un principio a mattoncini, in cui le linee di produzione possono essere scambiate quando si desidera produrre un altro prodotto. Anche i ricercatori stanno lavorando per combinare in modo diverso i mattoncini genetici come i Lego. Un tale kit con 119 unità funzionali genetiche per un'alga verde è stato ora creato da un team internazionale di ricercatori con biologi di Kaiserslautern. In questo modo si possono costruire mini fabbriche di alghe che producono, ad esempio, pigmenti o principi attivi medicinali. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista specializzata "ACS Synthetic Biology".

I mattoncini Lego sono disponibili in molte dimensioni, colori e forme. Possono essere assemblati in qualsiasi modo. Analogamente a questi piccoli blocchi, anche i ricercatori vogliono combinare parti di geni.

Un gene è composto da diverse unità funzionali. Ad esempio, all'inizio di una sequenza genica si trova il cosiddetto promotore. "Regola l'attività del gene e garantisce che venga prodotto solo un certo quantitativo di proteina o che il gene venga letto solo per un certo periodo", spiega il professor Dr. Michael Schroda, che ricopre la cattedra di "Biotecnologia Molecolare e Biologia dei Sistemi" presso il Technische Universität Kaiserslautern (TUK).

Il team di Schroda sta lavorando per suddividere i geni in queste singole unità. Oltre al promotore, esiste anche una regione di lettura con l'informazione genetica, che può essere suddivisa in molti blocchi funzionali: ad esempio, quelli che dirigono una proteina in determinate aree della cellula, la fanno brillare o con cui può essere semplicemente estratta da estratti cellulari. Esiste anche una regione di stop, in cui termina la lettura dell'informazione genetica. "Il nostro obiettivo è poter combinare arbitrariamente queste unità di geni diversi", continua il professore.

Nello studio attuale, il team internazionale di ricercatori, tra cui i gruppi di lavoro di Schroda e del suo collega di Kaiserslautern, il junior professor Dr. Felix Willmund, è riuscito a creare un kit di 119 unità funzionali genetiche per l'alga verde Chlamydomonas reinhardtii. Come i mattoncini Lego, questi blocchi genetici possono essere facilmente assemblati. "Ciò è possibile perché questi blocchi sono standardizzati. Hanno sempre sequenze definite ai loro estremi, in modo che possano essere assemblati in un ordine specifico", spiega il biologo di Kaiserslautern.

La particolarità dello studio: si tratta di un organismo superiore – un eucariote, come si dice nel gergo specialistico. Fino ad ora, tali kit erano disponibili principalmente per organismi inferiori come i batteri. "L'alga verde è molto più complessa e, ad esempio, possiede più geni", dice il junior professor Willmund, che si occupa di genetica degli eucarioti. "Proprio come i batteri, si riproduce molto rapidamente, il che la rende interessante anche per la produzione industriale."

Le alghe verdi potrebbero essere utilizzate, ad esempio, come microfabbriche. "Con l'aiuto del kit genetico, è possibile produrre in tempi relativamente brevi diverse proteine, che vanno dai pigmenti ai principi attivi usati in medicina", afferma Willmund. Ma anche per la ricerca di base, il metodo è interessante. "Con questo possiamo facilmente modificare e studiare più da vicino i percorsi metabolici", cita Schroda come esempio.

Schroda lavora nel campo della Biologia Sintetica. In questo settore di ricerca ancora relativamente giovane, si tratta tra l'altro di creare nuovi sistemi biologici e di trasferire conoscenze dalle scienze ingegneristiche ai processi molecolari.

Vengono anche stabiliti standard e norme, come ad esempio per le estremità dei mattoncini genetici. Ciò rende questi moduli semplici da maneggiare e combinabili in modo arbitrario.

Il lavoro si è svolto nel quadro del Sonderforschungsbereich (SFB Transregio TRR175) "The Green Hub – Il cloroplasto come centro dell'acclimatazione delle piante". È finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft dal 2016. In questo contesto, team di ricercatori di Berlino, Potsdam-Golm, Monaco e Kaiserslautern indagano come le piante riescano ad adattarsi alle condizioni ambientali mutevoli.

Oltre ai ricercatori di Kaiserslautern, hanno partecipato anche colleghi di Francia, Inghilterra, Danimarca, Spagna e Bielefeld. Il lavoro è stato pubblicato sulla rinomata rivista "ACS Synthetic Biology": "Nascita di un telaio fotosintetico: toolkit MoClo che consente la biologia sintetica nell'alga microscopica Chlamydomonas reinhardtii"

DOI: 10.1021/acssynbio.8b00251