Cellule autosufficienti?

SOPRA: Julie Trolle e Jef Boeke utilizzano metodi di biologia sintetica per consentire alle cellule dei mammiferi di creare amminoacidi essenziali. Per gentile concessione di Julie Trolle

Ogni volta che gli studenti si avvicinano al genetista Jef Boeke sostenendo di aver fatto una nuova interessante scoperta, la sua prima reazione è sempre: "Mostrami le piastre". Boeke è il direttore fondatore dell'Institute for Systems Genetics presso la NYU Langone Health e la maggior parte del lavoro nel suo laboratorio si concentra sui microrganismi. Guardare direttamente le cellule dei suoi studenti al microscopio lo aiuta a individuare dettagli che potrebbero portare a scoperte interessanti, così quando Julie Trolle, dottoranda della NYU Grossman School of Medicine, gli ha inviato le foto delle sue cellule ovariche di criceto cinese (CHO) geneticamente modificate nel 2017, sapeva che aveva bisogno di vederli di persona. Ciò che vide fu la resurrezione di un percorso di sintesi degli amminoacidi che era andato perduto negli animali più di 500 milioni di anni fa.

In totale, 20 aminoacidi costituiscono le migliaia di proteine ​​diverse in tutte le forme di vita. Ma gli animali ne possono produrre solo 11; devono raccogliere gli altri aminoacidi essenziali dal loro ambiente. Lo fanno consumando piante, che in genere producono tutti i 20 aminoacidi, o mangiando animali che hanno consumato piante. Dato che la maggior parte delle piante e dei microrganismi trasportano il percorso per tutti e 20, i nove percorsi mancanti sollevano interrogativi sull’evoluzione animale: quando e perché questi percorsi sono andati perduti? E gli animali potrebbero in qualche modo produrre nuovamente gli amminoacidi? Trolle era particolarmente interessato a utilizzare la biologia sintetica e l’ingegneria per affrontare questa seconda domanda e, così facendo, gettare potenzialmente le basi per soluzioni a vari problemi medici e industriali.

Realizzare le cellule ingegnerizzate non è stato facile, ha detto. L'antenato animale con queste vie di sintesi visse almeno 500 milioni di anni fa. Le interazioni tra gli enzimi necessari per produrre gli amminoacidi certamente non erano le stesse in quegli antenati che nelle cellule CHO nelle piastre di coltura di Trolle.

Ha deciso di concentrare i suoi sforzi sulla valina a causa della sua somiglianza chimica con l'isoleucina, un altro amminoacido essenziale. Una cellula in grado di produrre valina potrebbe anche produrre isoleucina, ha detto, rendendolo potenzialmente più efficiente rispetto all’ingegneria di un singolo percorso di produzione di amminoacidi.

Ha iniziato introducendo geni batterici che codificano per enzimi normalmente non prodotti nelle cellule animali nelle cellule CHO standard del settore. Sperava che le cellule sarebbero poi in grado di convertire i composti biochimici nel loro ambiente in valina e isoleucina. Trolle ha messo le sue cellule modificate e un gruppo di cellule di controllo in un mezzo privo di uno o entrambi gli amminoacidi per vedere se sarebbero sopravvissute.

Con suo disappunto, le cellule non sopravvivevano bene senza isoleucina nel loro mezzo di coltura, indipendentemente dalle modifiche apportate al percorso, indicando che non producevano alcun amminoacido. Tuttavia, le cellule di Trolle hanno continuato a sopravvivere bene in un terreno privo di valina.

Le differenze nei risultati tra le cellule normali e quelle geneticamente modificate sono state "più che convincenti", ha detto Boeke. Le cellule geneticamente modificate sono sopravvissute meglio delle cellule di controllo, il che implica che producevano da sole l’amminoacido essenziale.

Trolle ha misurato i livelli di valina nel terreno di coltura per confermare che le cellule sintetizzavano valina quando venivano alimentate con glucosio e piruvato. "È stato un successo straordinario", ha detto Boeke. "Eravamo così emozionati." Tuttavia, quando il team ha presentato i risultati per la pubblicazione nel 2021, i revisori erano scettici. La produzione di valina nelle cellule di Trolle cominciò a esaurirsi a partire dai 20 giorni, e molto di più entro i 40 giorni. I revisori hanno notato che le cellule CHO dovrebbero essere in grado di produrre valina a un ritmo costante.

Con l'aiuto di Boeke e di altri ricercatori, Trolle ha provato diverse modifiche senza successo. Alla fine, però, ha fatto una svolta. Ha scoperto che il problema con il percorso era un accumulo di un composto intermedio prodotto dalle cellule. Per correggere questo problema, Trolle ha provato ad aggiungere una copia extra del gene che codificava per l’enzima che convertiva quell’intermedio nel prodotto successivo.