C’erano solo otto ingredienti: due proteine, tre agenti tampone, due tipi di molecole di grasso e un po’ di energia chimica. Ma questo era sufficiente per creare una flottiglia di blob rimbalzanti e pulsanti – strutture rudimentali simili a cellule con alcuni dei macchinari necessari per dividersi da sole.

Per la biofisica Petra Schwille, le creazioni danzanti nel suo laboratorio rappresentano un passo importante verso la costruzione di una cellula sintetica dal basso verso l’alto, qualcosa a cui ha lavorato negli ultimi dieci anni, più recentemente al Max Planck Institute of Biochemistry di Martinsried, Germania.

“Sono sempre stata affascinata da questa domanda, ‘Cosa distingue la vita dalla materia non vivente? La sfida, secondo Schwille, è determinare quali componenti sono necessari per fare un sistema vivente. Nella sua cellula sintetica perfetta, conoscerebbe ogni singolo fattore che la fa funzionare.

I ricercatori hanno cercato di creare cellule artificiali per più di 20 anni – mettendo insieme biomolecole nel giusto contesto per approssimare diversi aspetti della vita. Anche se ci sono molti di questi aspetti, generalmente rientrano in tre categorie: la compartimentazione, o la separazione delle biomolecole nello spazio; il metabolismo, la biochimica che sostiene la vita; e il controllo informativo, la memorizzazione e la gestione delle istruzioni cellulari.

Il ritmo del lavoro è stato accelerato, grazie in parte ai recenti progressi nelle tecnologie microfluidiche, che permettono agli scienziati di coordinare i movimenti di minuscoli componenti cellulari. I gruppi di ricerca hanno già determinato il modo di scolpire blob simili a cellule nelle forme desiderate; di creare versioni rudimentali del metabolismo cellulare; e di trapiantare genomi fatti a mano in cellule viventi. Ma mettere insieme tutti questi elementi rimane una sfida.

Il campo è, tuttavia, intriso di un nuovo senso di ottimismo sulla ricerca. Nel settembre 2017, i ricercatori di 17 laboratori nei Paesi Bassi hanno formato il gruppo Building a Synthetic Cell (BaSyC), che mira a costruire un “sistema simile a una cellula, che cresce e si divide” entro dieci anni, secondo la biofisica Marileen Dogterom, che dirige BaSyC e un laboratorio alla Delft University of Technology. Il progetto è alimentato da una sovvenzione di 18,8 milioni di euro (21,3 milioni di dollari) della Dutch Gravitation.

A settembre, la US National Science Foundation (NSF) ha annunciato il suo primo programma sulle cellule sintetiche, finanziato per 10 milioni di dollari. E diversi ricercatori europei, tra cui Schwille, hanno proposto la costruzione di una cellula sintetica come uno dei programmi “Future and Emerging Technologies Flagship” della Commissione europea, che riceve un finanziamento di 1 miliardo di euro.

I biologi sintetici prevedono che le prime cellule completamente artificiali potrebbero dare vita in poco più di un decennio. “Sono abbastanza sicuro che ci arriveremo”, dice Schwille.

Tutto nell’imballaggio

I gruppi di ricerca hanno fatto grandi passi ricreando diversi aspetti della vita simile alle cellule, specialmente nel mimare le membrane che circondano le cellule e compartimentano i componenti interni. Questo perché organizzare le molecole è la chiave per farle lavorare insieme al momento e al posto giusto. Anche se si può aprire un miliardo di batteri e versare il contenuto in una provetta, per esempio, i processi biologici non continuerebbero a lungo. Alcuni componenti devono essere tenuti separati e altri riuniti.

“Per me, si tratta della sociologia delle molecole”, dice Cees Dekker, un biofisico anche lui alla Delft University of Technology.

Per la maggior parte, questo significa organizzare le biomolecole su o all’interno delle membrane lipidiche. Schwille e il suo team sono esperti manipolatori di membrane. A partire da circa un decennio fa, il team ha iniziato ad aggiungere le proteine Min, che dirigono il macchinario di divisione di una cellula batterica, a fogli di membrana artificiale fatta di lipidi. I Min, i ricercatori hanno scoperto, sarebbero saltati su e fuori le membrane e le avrebbero fatte ondeggiare e roteare1. Ma quando hanno aggiunto le Mins a sfere 3D di lipidi, le strutture scoppiavano come bolle di sapone, dice Schwille. Il suo gruppo e altri hanno superato questo problema usando tecniche microfluidiche per costruire contenitori di membrane di dimensioni cellulari, o liposomi, che possono tollerare inserzioni multiple di proteine – sia nelle membrane stesse che all’interno.

Lo studente laureato di Schwille, Thomas Litschel, e i suoi collaboratori hanno sciolto le proteine Min in acqua e rilasciato gocce della miscela in una provetta che gira rapidamente. La forza centrifuga tira le goccioline attraverso strati di lipidi densi che le incapsulano lungo il percorso. Esse escono all’altra estremità come liposomi che misurano 10-20 micrometri di diametro – circa la dimensione di una cellula media di pianta o animale. Questi liposomi, conosciuti come vescicole unilamellari giganti (GUV), possono essere fatti in modi diversi, ma nelle mani di Litschel, le proteine Min hanno fatto sì che i GUV pulsassero, danzassero e si contraessero al centro2.

Il gruppo di Schwille vuole capitalizzare la sua conoscenza di queste proteine, che possono produrre modelli di membrana e autorganizzarsi. “Capiamo queste molecole molto bene”, dice. “Vorremmo vedere quanto lontano possiamo arrivare con elementi relativamente semplici come le Mins”. Forse, come suggerisce il lavoro di Litschel, il team potrebbe usare le proteine per modellare le membrane per la divisione o per raccogliere i componenti a un’estremità di una cellula sintetica. Proprio come alcuni fisici potrebbero usare nastro adesivo e carta stagnola per mettere a punto i loro esperimenti, Schwille dice che spera che queste pratiche molecole biologiche le daranno la possibilità di armeggiare con strutture simili alle cellule: “Sono una sperimentatrice fino al midollo”.

I membri del team di Dekker hanno anche riempito i liposomi con le loro proteine preferite utilizzando un chip microfluidico (vedi ‘Le macchine a bolle’). Sul chip, due canali contenenti molecole lipidiche convergono su un canale riempito d’acqua e sputano fuori liposomi di dimensioni cellulari che possono contenere varie molecole biologiche, bloccate attraverso la membrana o fluttuanti all’interno del contenitore3.

Il suo gruppo ha sperimentato la pressurizzazione, la deformazione e il rimodellamento dei liposomi per assumere forme non sferiche che imitano meglio le cellule. I dispositivi microfluidici danno ai ricercatori un maggiore controllo per spostare, ordinare e manipolare i liposomi usando microcanali che funzionano quasi come circuiti. Quest’anno, il laboratorio Dekker ha progettato un chip che potrebbe meccanicamente dividere un liposoma in due spingendolo contro un punto appuntito4.

“Questo, naturalmente, non è quello che stiamo cercando – vogliamo dimostrare la divisione dall’interno, ma ci dice ancora informazioni interessanti”, dice Dekker. Gli esempi includono la forza necessaria per dividere una cellula, e quali tipi di manipolazioni fisiche i liposomi possono tollerare. Sulla stessa linea, il suo team ha anche giocato con la forma delle cellule viventi di Escherichia coli – rendendole più larghe o quadrate crescendo in camere di silicone nanofabbricate. In questo modo, i membri del team possono vedere come la forma delle cellule influisce sul macchinario di divisione, e valutare come le proteine Min lavorano in cellule di diverse dimensioni e forma5.

“Giochiamo con tecniche di nanofabbricazione e facciamo cose che un normale biologo cellulare non farebbe mai”, dice. “Ma uno strano biofisico come me può farlo.”

Aggiungimento di energia al sistema

Ora che è possibile aggiungere componenti alle bolle dei liposomi senza farle scoppiare, i gruppi possono pianificare come far lavorare insieme le molecole. Quasi tutto ciò che è vitale richiede energia cellulare, di solito sotto forma di ATP. E anche se questo può essere aggiunto dall’esterno per alimentare un sistema sintetico, molti biologi che lavorano su approcci bottom-up sostengono che una vera cellula sintetica dovrebbe avere la propria centrale elettrica, qualcosa di simile al mitocondrio di una cellula animale o al cloroplasto di una pianta, entrambi i quali fanno ATP.

Il gruppo di Joachim Spatz al Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg, Germania, ha costruito un mitocondrio rudimentale che può creare ATP all’interno di una vescicola.

Per fare questo, il suo team ha approfittato di nuove tecniche microfluidiche. In primo luogo, hanno stabilizzato le GUV mettendole all’interno di goccioline di acqua in olio circondate da un guscio viscoso di polimeri. Poi, mentre queste goccioline stabilizzate GUV scorrevano lungo un microcanale, il team ha iniettato grandi proteine in esse, sia all’interno della vescicola che incorporate nella superficie della membrana (vedi ‘Le catene di montaggio’).

Hanno caricato queste membrane con un enzima chiamato ATP sintasi, che agisce come una sorta di ruota idraulica molecolare, creando energia ATP da molecole precursori mentre i protoni scorrono attraverso la membrana. Aggiungendo acido per aumentare i protoni all’esterno delle GUV, il team ha guidato la produzione di ATP all’interno6.

Spatz spiega che i ricercatori potrebbero ciclare nuovamente le GUV intorno al microcanale per un’altra iniezione di proteine, per aggiungere sequenzialmente componenti. Per esempio, il prossimo passo potrebbe essere quello di aggiungere un componente che imposti automaticamente il gradiente di protoni per il sistema.

“Questo è un modulo importante, come si ha nella vita reale”, dice Spatz.

Un altro gruppo di biologia sintetica del Max Planck guidato dal biochimico Tobias Erb ha lavorato su altri approcci per costruire percorsi metabolici cellulari. È particolarmente interessato ai percorsi che permettono ai microbi fotosintetici di estrarre l’anidride carbonica dall’ambiente e fare zuccheri e altri elementi di costruzione cellulare.

Erb, un capo gruppo presso l’Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre a Marburgo, in Germania, ha un approccio in bianco per sintetizzare i percorsi metabolici cellulari. “Da un punto di vista ingegneristico, pensiamo a come progettare”, dice, “e poi lo costruiamo in laboratorio”.

Il suo gruppo ha abbozzato un progetto di sistema che potrebbe convertire la CO2 in malato, un metabolita chiave prodotto durante la fotosintesi. Il team ha previsto che il percorso sarebbe stato ancora più efficiente della fotosintesi. Successivamente, Erb e il suo team hanno cercato nei database gli enzimi che potrebbero eseguire ciascuna delle reazioni. Per alcuni, hanno dovuto modificare gli enzimi esistenti in enzimi di design.

Alla fine, hanno trovato 17 enzimi da 9 diversi organismi, tra cui E. coli, un archeo, la pianta Arabidopsis e gli esseri umani. La reazione, forse non sorprende, era inefficiente e lenta7.

“Abbiamo messo insieme una squadra di enzimi che non giocavano bene insieme”, dice Erb. Dopo un po’ di ulteriore ingegneria enzimatica, tuttavia, il team ha una “versione 5.4” che Erb dice opera il 20% più efficientemente della fotosintesi.

Espandendo questo lavoro, il gruppo di Erb ha iniziato a costruire una versione grezza di un cloroplasto sintetico. Macinando gli spinaci in un frullatore, e aggiungendo il suo macchinario di fotosintesi al loro sistema enzimatico in provetta, i biologi possono guidare la produzione di ATP e la conversione di CO2 in malato – solo facendo brillare la luce ultravioletta su di esso.

Anche se tutto può funzionare per un breve periodo in provetta, dice Erb, “alla fine, vorremmo che fosse compartimentato, come un cloroplasto”. È entusiasta di collaborare con biologi sintetici come Kate Adamala, che possono costruire e controllare compartimenti complessi.

Il gruppo di Adamala all’Università del Minnesota a Minneapolis sta lavorando su come costruire bioreattori programmabili, introducendo semplici circuiti genetici nei liposomi e fondendoli insieme per creare bioreattori più complessi. Lei li chiama “bolle di sapone che producono proteine”.

Il suo gruppo costruisce questi bioreattori usando un sistema a tubo rotante simile a quello di Schwille, ma che produce liposomi più piccoli. I ricercatori aggiungono cerchi di DNA chiamati plasmidi che hanno progettato per svolgere una funzione particolare, insieme a tutti i macchinari necessari per fare proteine dal DNA.

Per esempio, il suo gruppo ha fatto bioreattori di liposomi che possono percepire un antibiotico nel loro ambiente attraverso i pori della membrana e possono generare un segnale bioluminescente in risposta8.

Fondendo insieme semplici bioreattori in modo sequenziale, il team può costruire circuiti genetici più complessi. Ma i sistemi iniziano a rompersi quando si espandono fino a includere una decina di componenti. Questa è una grande sfida per il campo, dice Adamala. In una cellula reale, le proteine che potrebbero interferire con le azioni dell’altro sono tenute separate da una varietà di meccanismi. Per le cellule sintetiche molto più semplici, i biologi devono trovare altri modi per imporre quel controllo. Questo potrebbe avvenire attraverso un gatekeeping esterno, in cui lo sperimentatore decide quali liposomi vengono mescolati insieme e quando. Potrebbe anche essere realizzato attraverso tag chimici che regolano quali liposomi possono fondersi insieme, o attraverso un sistema di rilascio a tempo.

Iniezioni informative

Un’altra chiave per creare una cellula è ottenere il software giusto. Permettere ad una cellula sintetica di seguire le istruzioni degli scienziati e di replicarsi richiederà un qualche modo di memorizzare e recuperare le informazioni. Per i sistemi viventi, questo è fatto dai geni – da centinaia per alcuni microbi, a decine di migliaia per gli esseri umani.

Quanti geni avrà bisogno una cellula sintetica per funzionare da sola è una questione di sano dibattito. Schwille e altri vorrebbero mantenerlo nell’ordine di qualche dozzina. Altri, come Adamala, pensano che le cellule sintetiche abbiano bisogno di 200-300 geni.

Alcuni hanno scelto di iniziare con qualcosa di vivo. Il biologo sintetico John Glass e i suoi colleghi del J. Craig Venter Institute (JCVI) a La Jolla, California, hanno preso uno dei genomi microbici più piccoli conosciuti sul pianeta, quello del batterio Mycoplasma mycoides, e hanno sistematicamente interrotto i suoi geni per identificare quelli essenziali. Una volta ottenute queste informazioni, hanno ricucito chimicamente un genoma minimo in laboratorio.

Questo genoma sintetizzato conteneva 473 geni – circa la metà di quello che era nell’organismo originale – ed è stato trapiantato in una specie batterica correlata, Mycoplasma capricolum9. Nel 2016, il team ha dimostrato che questo genoma sintetico minimo potrebbe “avviare” un organismo a vita libera, anche se a crescita lenta10. Glass pensa che sarà difficile diminuire quel numero molto di più: togliendo qualsiasi gene, si uccidono le cellule o si rallenta la loro crescita fino a quasi zero, dice.

Lui e i suoi colleghi del JCVI stanno compilando una lista di “compiti cellulari” basati sull’ultima versione della loro creazione, JCVI-syn3.0a, che potrebbe fungere da modello della lista minima delle cose da fare di una cellula. Ma per circa 100 di questi geni, non possono identificare ciò che fanno che li rende essenziali.

Come prossimo passo, e supportato da una sovvenzione NSF di quasi 1 milione di dollari, Glass e Adamala tenteranno di installare il genoma JCVI-syn3.0a in un liposoma sintetico contenente il macchinario necessario per convertire il DNA in proteine, per vedere se può sopravvivere. In questo caso, sia il software che l’hardware della cellula sarebbero sintetici fin dall’inizio.

Se potesse crescere e dividersi, sarebbe un passo enorme. Ma molti sostengono che per rappresentare veramente un sistema vivente, dovrebbe anche evolversi e adattarsi al suo ambiente. Questo è l’obiettivo con i risultati più imprevedibili e anche le maggiori sfide, dice Schwille. “Una cosa che si fa da sola tutto il tempo non è vita – anche se ne sarei felice!”, dice. “Perché una cellula sia viva, deve sviluppare nuove funzionalità”.

Il team di Glass al JCVI ha fatto esperimenti di evoluzione adattativa in laboratorio con JCVI-syn3.0a, selezionando gli organismi che crescono più velocemente in un brodo ricco di nutrienti. Finora, dopo circa 400 divisioni, lui e il suo team hanno ottenuto cellule che crescono circa il 15% più velocemente dell’organismo originale. E hanno visto spuntare una manciata di cambiamenti nella sequenza genica. Ma non c’è ancora nessuna prova che il microbo sviluppi nuove funzioni cellulari o aumenti la sua fitness a passi da gigante.

Erb dice che capire come aggiungere l’evoluzione alle cellule sintetiche è l’unico modo per renderle interessanti. Quel po’ di disordine nei sistemi biologici è ciò che permette loro di migliorare le loro prestazioni. “Come ingegneri, non possiamo costruire una cellula sintetica perfetta. Dobbiamo costruire un sistema auto-correttivo che diventa migliore man mano che va avanti”, dice.

Le cellule sintetiche potrebbero portare a intuizioni su come la vita potrebbe apparire su altri pianeti. E i bioreattori sintetici sotto il completo controllo di un ricercatore potrebbero offrire nuove soluzioni per trattare il cancro, affrontare la resistenza agli antibiotici o pulire i siti tossici. Rilasciare un tale organismo nel corpo umano o nell’ambiente sarebbe rischioso, ma un organismo ingegnerizzato top-down con comportamenti sconosciuti e imprevedibili potrebbe essere ancora più rischioso.

Dogterom dice che le cellule viventi sintetiche portano anche altre domande filosofiche ed etiche: “Sarà una vita? Sarà autonoma? La controlleremo?” Queste conversazioni dovrebbero avvenire tra gli scienziati e il pubblico, dice. Per quanto riguarda le preoccupazioni che le cellule sintetiche correranno all’impazzata, Dogterom è meno preoccupato. “Sono convinto che la nostra prima cellula sintetica sarà un pessimo imitatore di ciò che già esiste”. E come ingegneri della vita sintetica, lei e i suoi colleghi possono facilmente incorporare controlli o un interruttore di spegnimento che rende le cellule innocue.

Lei e altri biologi sintetici continueranno a spingere in avanti esplorando le frontiere della vita. “Il momento è giusto”, dice Dogterom. “Abbiamo i genomi, la lista delle parti. La cellula minima ha bisogno solo di poche centinaia di geni per avere qualcosa che sembri vivo. Centinaia di parti è una sfida enorme, ma non sono migliaia – questo è molto eccitante”.