Biologia di sintesi

La biologia sintetica è un campo che combina biologia e ingegneria per creare o riprogettare entità biologiche, organismi o percorsi. L'idea è simile alla sintesi chimica in chimica in cui reazioni ben note vengono utilizzate per sintetizzare nuovi composti chimici. L'obiettivo finale può variare dalla creazione di nuove molecole di farmaci biologici alla modifica degli organismi per renderli in grado di abbattere i rifiuti. Questo video discute i principi di base della biologia sintetica e alcune tecniche utilizzate per costruire moduli biologici. Infine, presentiamo alcune applicazioni del mondo reale di questo campo in evoluzione.

L'obiettivo primario di questo campo emergente è quello di utilizzare la biologia e la bioingegneria come strumento per creare nuove molecole e organismi. Proprio come un ingegnere elettrico che crea un circuito funzionale da singoli componenti elettrici, un obiettivo chiave della biologia sintetica è quello di creare un microrganismo programmabile da zero utilizzando singoli componenti cellulari. Tuttavia, questo è ancora lontano dall'essere realizzabile a questo punto, principalmente perché i processi biologici sono meno compresi. Questo obiettivo è reso più raggiungibile dai recenti progressi, come il sequenziamento del DNA di prossima generazione. Utilizzando il sequenziamento del DNA, i ricercatori possono identificare le funzioni nei geni specifici della sequenza del DNA in organismi che possiedono determinati tratti desiderabili. Quindi, l'esatta sequenza di DNA può essere sintetizzata in grandi quantità e quindi utilizzata per modificare geneticamente una cellula usando la trasfezione. La trasfezione è il processo di inserimento di materiale genetico, come DNA o RNA, nelle cellule di mammifero. Quando viene eseguita su cellule batteriche, la tecnica è chiamata trasformazione. In questo processo, il DNA viene spesso complessato con molecole portanti caricate positivamente o condensato all'interno di un liposoma o di una particella polimerica caricata positivamente, come la polietilenimmina. Il complesso caricato positivamente si attacca alla membrana cellulare caricata negativamente e quindi entra nella cellula tramite endocitosi, che è un processo attraverso il quale le molecole entrano in una cellula attraverso vescicole legate alla membrana chiamate endosomi. Una volta all'interno della cellula, il materiale genetico lascia l'endosoma e alla fine entra nel nucleo, dove il macchinario della cellula è in grado di produrre MRNA e quindi proteine da esso. Ora che abbiamo introdotto le basi della biologia sintetica, diamo un'occhiata ad alcune tecniche di trasfezione comunemente utilizzate in laboratorio.

L'elettroporazione è una tecnica che prevede l'uso di un elettrodo per creare piccoli pori nella membrana cellulare, consentendo così al DNA di passare. In primo luogo, il fondo di ogni pozzetti di una piastra da 48 pozzetti è rivestito con 250 microlitri di anticorpi e tampone con calcio e magnesio. Le piastre vengono quindi incubate a 37 gradi. Successivamente, l'RNA viene preparato per la trasfezione. Un microlitro di soluzione madre di RNA viene aliquotato in un tubo di microcentifuga per ogni trasfezione separata, con i tubi che rimangono sul ghiaccio. Le piastre rivestite di anticorpi vengono quindi lavate con tampone prima che venga aggiunto il mezzo cellulare. Le cellule vengono staccate dal fondo dei pozzi di coltura tissutale, raggruppate in un tubo di centrifuga, pellettate e ricaspendate. Le cellule vengono contate e la loro vitalità valutata. Quindi, un piccolo volume di cellule viene aggiunto a ciascuna aliquota di RNA. Le cellule in RNA vengono quindi caricate in una punta dell'elettrodo della pipetta e nel tampone elettrolitico aggiunto a una cuvetta di vetro. La cuvetta viene posizionata all'interno del supporto e l'elettrodo della pipetta inserito nella cuvetta. Le celle sono elettroporate utilizzando una tensione pulsata di circa 1500 volt. Dopo che l'elettroporazione è completa, le cellule vengono mescolate con i mezzi di coltura cellulare in una piastra di coltura e utilizzate o conservate.

Un'altra tecnica è il metodo dello shock termico, che utilizza il calore per creare aperture nella membrana cellulare. In primo luogo, i supporti e l'agar appropriati vengono preparati e sterilizzati. Quindi, l'agar raffreddato contenente antibiotico viene versato in piastre e lasciato raffreddare a temperatura ambiente. Successivamente, un bagno d'acqua è impostato a 42 gradi Celsius e le cellule chimicamente competenti scongelate sul ghiaccio. Da uno a cinque microlitri di un nanogrammo per microlitro di plasmide freddo vengono aggiunti alle cellule scongelate e mescolati delicatamente. Quindi la miscela di cellule e plasma viene restituita al ghiaccio per 30 minuti. Dopo questa incubazione su ghiaccio, la miscela cellulare viene posta nel bagno d'acqua per riscaldarla per 30 secondi. La miscela di cellule e plasmidi viene quindi immediatamente posta su ghiaccio e viene aggiunto un mezzo fresco. Quindi la miscela cellulare viene posta in un incubatore vibrante a 37 gradi Celsius per un'ora, in modo che le cellule possano recuperare. Successivamente le cellule vengono coltivate sulle piastre di agar aggiungendo da 20 a 200 microlitri dei batteri coltivati alla piastra e quindi diffondendosi. Le piastre vengono quindi incubate durante la notte. Il giorno seguente, le placche di agar dovrebbero avere una crescita della colonia che indica che le cellule hanno assorbito il plasmide. Queste colonie possono ora essere utilizzate per ulteriori sperimentazioni.

Ora che abbiamo introdotto alcuni metodi comuni di trasfezione e trasformazione, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni di questo nuovo campo. I batteri geneticamente modificati potrebbero essere utilizzati per la pulizia ambientale come il degrado dei residui di olio. Utilizzando tecniche di biologia sintetica, organismi personalizzati potrebbero essere progettati per abbattere specifici inquinanti ambientali. Ciò potrebbe comportare costi di pulizia inferiori rispetto ai tipici metodi di pulizia ad alta intensità di manodopera. Sistemi biologici a scala molecolare sinteticamente costruiti potrebbero anche essere creati per diagnosticare e trattare malattie specifiche come il cancro. Questi organismi potrebbero essere creati per rispondere alle firme caratteristiche o agli anticorpi delle cellule tumorali. Inoltre, potrebbero aiutare nel trattamento delle cellule infette mediante targeting programmato.

Hai appena visto l'introduzione di Jove alla biologia sintetica. Ora dovresti avere familiarità con gli obiettivi di questo nuovo campo e alcune tecniche utilizzate per migliorare e alla fine creare organismi per combattere gli attuali problemi del mondo. Grazie per l'attenzione.