5 cose da sapere sul DNA

All’interno delle cellule, il DNA è continuamente esposto a possibili danni di diverso tipo che possono farlo cambiare. Esistono numerosi sistemi di riparazione che evitano che questo avvenga, ma nei rari casi in cui l’anomalia non viene corretta, le mutazioni possono persistere e favorire lo sviluppo di alcune patologie, come i tumori. La possibilità che queste anomalie genetiche siano ereditabili dipende da dove si trovano: se si verificano nelle cellule germinali (i precursori di ovuli e spermatozoi) si trasmettono alla generazione successiva; se avvengono nelle cellule somatiche (quelle che costituiscono il resto dell’organismo) sono limitate all’individuo in cui si verificano e non sono trasmesse ai figli.

Ma chi ha detto che il DNA debba stare solo dentro una cellula? Sintetizzato artificialmente e conservato in condizioni controllate, potrebbe essere usato anche come supporto artificiale in cui conservare dati non biologici. La sequenza delle sue quattro basi, infatti, può essere potenzialmente usata come un qualunque linguaggio di programmazione, per codificare ogni tipo di contenuto digitale, dal testo alle immagini, dall’audio al video. Si può partire da un file digitale e lo si può tradurre in una sequenza di nucleotidi secondo un sistema di codifica. La sequenza ottenuta può poi essere sintetizzata in laboratorio, in più copie per aumentarne l’affidabilità, e può essere conservata in forma stabile. Quando si vuole recuperare l’informazione, basta sequenziare il frammento di DNA in cui essa è conservata e decodificarlo.

Quanta informazione contiene il DNA?

Rispetto ai supporti convenzionali, il vantaggio di utilizzare il DNA come sistema di raccolta di informazioni sarebbe notevole. Innanzitutto, in termini di spazio di archiviazione. In teoria, in un solo grammo di DNA si potrebbero immagazzinare 455 exabyte, cioè 455 miliardi di gigabyte, che contenuti in comuni hard disk occuperebbero interi palazzi. Nei sistemi biologici la densità dell’informazione custodita nel DNA è in realtà più bassa, perché una parte della sequenza è ridondante e utile alla correzione degli errori. In una dimostrazione sperimentale del 2020, per esempio, alcuni ricercatori sono arrivati a circa 17 exabyte per grammo di DNA – comunque una quantità di dati immensa.

Non solo. Quando è disidratato e protetto, per esempio con incapsulamento in silice, il DNA può restare stabile e leggibile più a lungo rispetto ai supporti digitali convenzionali. Le stime variano molto a seconda delle condizioni: in alcuni studi si è parlato di molti decenni a temperatura ambiente, di circa 2.000 anni a 9,4 °C e, in condizioni ancora più favorevoli, di tempi molto più lunghi.

Il DNA come una chiavetta

Per ora l’uso del DNA a questi scopi può avere senso soprattutto per l’archiviazione di lungo periodo e non per l’uso quotidiano. In ogni caso, la diffusione commerciale di queste tecnologie è solo agli inizi. Infatti, oggi scrivere dati nel DNA è ancora lento e costoso, quanto meno perché al momento occorre disporre di un laboratorio adeguatamente attrezzato. Ma la storia delle biotecnologie insegna che i tempi e i costi delle innovazioni possono ridursi molto rapidamente.

Nel 2010, in California, un gruppo di scienziati guidato dal biologo e imprenditore Craig Venter ha sintetizzato il genoma del batterio Mycoplasma mycoides e lo ha trapiantato in cellule private di genoma di Mycoplasma capricolum, una specie simile. Le cellule ottenute hanno iniziato a funzionare sotto il controllo di un DNA che, pur riproducendo la sequenza di una specie batterica nota, era stato costruito artificialmente in laboratorio.

Per dimostrarlo, i ricercatori inserirono nel nuovo genoma anche alcune “firme” molecolari, ovvero tratti di DNA contenenti messaggi codificati, corrispondenti a citazioni, nomi e a un indirizzo web. Non è un caso che questo batterio sia stato chiamato Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0: era solo la prima versione di un progetto più ambizioso.

Nel 2016 lo stesso filone e gruppo di ricerca ha portato a JCVI-syn3.0. L’obiettivo, in questo caso, non era più soltanto mostrare che un genoma costruito artificialmente potesse controllare una cellula, ma capire fino a che punto quel genoma potesse essere ridotto e continuare a funzionare in condizioni di laboratorio. JCVI-syn3.0, plasmato ancora su Mycoplasma mycoides, aveva un genoma di 473 geni (per un totale di 531.560 paia di basi), mentre JCVI-syn1.0 ne aveva circa 901 (con circa 1,08 milioni di paia di basi). Gli autori sono arrivati a questo risultato in parte per tentativi ed errori: 149 dei 473 geni rimasti avevano una funzione poco nota o ignota, pur essendo indispensabili.

JCVI-syn3.0, però, si divideva in modo anomalo e dava origine a cellule di forma molto diversa rispetto a quelle di Mycoplasma mycoides. Nel 2021 i ricercatori svilupparono una variante, JCVI-syn3A: aggiungendo 19 geni non presenti nella versione minima, facendo così recuperare al batterio una divisione cellulare più regolare e una morfologia più simile a quella del batterio naturale e della versione 1.0. È stata una prova del fatto che processi fisiologici di base, come la divisione cellulare, dipendano da reti di geni più articolate di quanto immaginiamo.

Questi esperimenti, che appartengono al campo della biologia sintetica, stanno insegnando ai ricercatori ad andare oltre i limiti delle biotecnologie tradizionali. Invece di trasferire uno o pochi geni da una specie all’altra, si potrebbero progettare interi genomi al computer, sintetizzarli e, in prospettiva, sviluppare microrganismi “su misura”, con possibili applicazioni in medicina, nel risanamento ambientale e in diversi processi industriali.

Nel DNA dei viventi l’informazione genetica è scritta con 4 basi azotate: adenina, timina, citosina e guanina - che sono la parte variabile dei nucleotidi, le unità chimiche che compongono i due filamenti della doppia elica. Da tempo i biologi sintetici cercano di capire se si potrebbe ampliare questo alfabeto, in modo da allargare il repertorio chimico a disposizione delle biotecnologie. Per esempio, si potrebbero produrre proteine con proprietà nuove, difficili o impossibili da ottenere con i soli 20 amminoacidi standard, oppure molecole capaci di riconoscere bersagli biologici con maggiore precisione.

Un tentativo è stato fatto, per esempio, nel 2014. Il gruppo del biochimico Floyd Romesberg, dello Scripps Research Institute di La Jolla (California, USA), ha costruito un plasmide, cioè una molecola circolare di DNA presente in alcuni batteri, nel quale era stata inserita una coppia di nucleotidi artificiali, d5SICS e dNaM, con basi azotate non presenti in natura. Il plasmide è stato poi introdotto in un batterio modificato geneticamente per produrre una proteina di membrana derivata da un’alga. L’introduzione del plasmide aveva permesso al batterio di importare dall’ambiente altri nucleotidi di d5SICS e dNaM, forniti dai ricercatori, e di usarli per copiare il plasmide quando si replicava. In questo modo, quando il batterio si divideva, riusciva a duplicare anche il plasmide contenente quella nuova coppia di basi.

A 3 anni di distanza, il batterio è stato ulteriormente modificato perché quelle stesse basi artificiali potessero essere lette e utilizzate per produrre proteine contenenti amminoacidi non standard. Le nuove “lettere” non occupavano più solo spazio in un pezzo di DNA artificiale: servivano a ottenere biomolecole che normalmente non esistono.

Negli anni successivi i ricercatori hanno lavorato per rendere più stabile la conservazione di queste basi artificiali negli organismi semisintetici. Più in generale, hanno cercato di usare alfabeti genetici espansi nella produzione di aptameri, brevi molecole di DNA o RNA capaci di legarsi in modo selettivo a un bersaglio. Inoltre, hanno fatto esperimenti per ottenere sonde molecolari e altri strumenti di riconoscimento sempre più sofisticati, con possibili applicazioni diagnostiche e terapeutiche.

Non siamo al punto di avere organismi fondati su un alfabeto genetico alternativo ma, almeno in laboratorio, il DNA non è obbligato a fermarsi a 4 lettere. Naturalmente, per ogni applicazione occorrerà valutare molto attentamente la possibile tossicità delle nuove molecole.

Nel 2012, Philip Holliger e colleghi del Medical Research Council di Cambridge, UK, hanno effettuato degli esperimenti su 6 polimeri sintetici, chiamati nel loro insieme XNA (xeno nucleic acids). I risultati, pubblicati sulla rivista Science, hanno dimostrato che tali polimeri potevano svolgere compiti simili a quelli del DNA e RNA, pur essendo costruiti in modo diverso dagli acidi nucleici naturali. In questo caso non si trattava di aggiungere nuove lettere all’alfabeto della vita, ma di modificare l’impalcatura della molecola, cioè lo scheletro di zuccheri e gruppi fosfato, su cui quell’informazione è appoggiata e scritta tramite l’ordine dei nucleotidi. Alcune di queste molecole sono state anche sottoposte a evoluzione molecolare in vitro, cioè a una selezione sperimentale di varianti capaci di acquisire proprietà specifiche, per esempio legarsi a un bersaglio o svolgere semplici funzioni catalitiche.

Oggi esistono varie applicazioni degli XNA, e altre sono allo studio. Uno dei vantaggi sembra essere che questi polimeri sintetici sono più resistenti alla degradazione da parte degli enzimi presenti nelle cellule, pur conservando la capacità di riconoscere sequenze complementari di DNA e RNA e di appaiarvisi. Per questo i frammenti di XNA possono essere usati come sonde molecolari per identificare mutazioni o come aptameri e altri ligandi sintetici con possibili applicazioni diagnostiche e terapeutiche.

Ma gli XNA interessano anche dal punto di vista teorico. Oggi non è possibile costruire organismi sintetici o semisintetici, come il batterio di Venter, basati su un acido nucleico alternativo. Tuttavia, questi risultati già dimostrano che sono concepibili altre architetture chimiche capaci di sostenere processi come l’ereditarietà e la selezione naturale. Per questo le XNA interessano sia la biologia sintetica, sia campi di ricerca come l’astrobiologia e gli studi sull’origine della vita: aiutano infatti a riflettere su come potrebbe essere una chimica della vita diversa da quella che conosciamo sulla Terra.

Molte biomolecole possono esistere in due forme speculari, una “destrorsa” e una “sinistrorsa”, come le nostre mani: si assomigliano, ma non sono sovrapponibili e tale proprietà è detta chiralità. La vita sulla Terra, però, non usa entrambe le forme indistintamente: le proteine sono costruite quasi sempre con amminoacidi sinistrorsi (L), mentre DNA e RNA usano zuccheri destrorsi (D). Non sappiamo perché, alle origini della vita, si sia imposto proprio questo assetto, ma possiamo immaginare una biologia costruita con componenti speculari rispetto a quelli ordinari.

Negli ultimi anni è nata la cosiddetta mirror-image biology, una disciplina in cui i ricercatori hanno imparato a costruire molecole biologiche “speculari”, per esempio brevi filamenti di L-DNA o piccoli peptidi con chiralità opposta a quella della vita terrestre. Anche in questo caso, l’obiettivo è ampliare il nostro arsenale biotecnologico. Come nel caso degli XNA, le molecole speculari resistono all’azione di degradazione degli enzimi comuni e possono quindi risultare molto più stabili quando sono usate come sonde o come componenti di molecole terapeutiche.

L’idea di creare il primo batterio con una chimica speculare, però, è materia di dibattito scientifico. Nel 2024 un ampio gruppo internazionale di scienziati, in un articolo sulla rivista Science, ha avvertito che realizzare microrganismi costruiti con una chimica speculare rispetto a quella della vita terrestre potrebbe essere pericoloso perché potrebbero sfuggire ai normali meccanismi di controllo biologico, e dunque per esempio causare infezioni difficili da trattare e diffondersi negli ecosistemi con conseguenze imprevedibili. Diversi ricercatori sostengono che la creazione di microrganismi speculari autoreplicanti non dovrebbe essere perseguita nelle condizioni attuali e che questo tipo di ricerca richieda limiti e valutazioni di biosicurezza più severe.