La cellula digitale. La simulazione di una cellula sintetica, con un modello digitale

La struttura di tutti gli esseri viventi di cui finora abbiamo conoscenza – dai più semplici e minuscoli, ai più complessi e giganteschi – si basa su una tipica unità biologica: la cellula. Pur trattandosi di elementi di base, anche le cellule più semplici possiedono tuttavia molti elementi ancora non compresi dagli studiosi o del tutto sconosciuti.

Per tentare di colmare (almeno in parte) queste lacune, un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Illinois, a Urbana-Champaign (Usa), ha recentemente realizzato la più completa simulazione al computer di una cellula vivente. L’esperimento (descritto in un articolo sulla rivista “Cell”) potrebbe rappresentare un valido modello digitale utile ai biologi per provare a superare i vincoli della natura, accelerando così i tempi della loro esplorazione su come funzioni l’unità più elementare della vita, oltre che poter indagare su cosa succederebbe se la cellula funzionasse diversamente.

Il team di studiosi, coordinati da Zaida (Zan) Luthey-Schulten, ha già fatto alcune scoperte sorprendenti sulla fisiologia e il ciclo riproduttivo della loro cellula “modellizzata”, ma non finisce qui: la simulazione continua infatti ad essere utilizzata come generatore di idee per ulteriori esperimenti. “Questa è la prima volta – afferma Kate Adamala, esperta di biologia sintetica e docente all’Università del Minnesota – che possiamo avere uno sguardo computazionale davvero attento al metabolismo di un intero sistema complesso; non solo una reazione biochimica o un sistema molto artificiale, ma un’intera cellula vivente”. In verità, da tempo gli scienziati hanno tentato di modellizzare intere cellule e prevedere accuratamente la loro biologia, ma finora senza successo data la grande complessità che caratterizza la maggior parte delle cellule. “È difficile – aggiunge Adamala – costruire un modello se non sai quali mattoncini Lego ci vanno dentro”.

Luthey-Schulten e colleghi, invece, sono stati in grado di realizzare una cellula sintetica digitale estremamente semplice, con molti meno geni di qualsiasi altra cellula, di modo che la sua fisiologia risulti più facilmente analizzabile, rendendola un modello di studio ideale. Si tratta, dunque, di una “cellula minima” ricostruita digitalmente in laboratorio, che oscilla sulla linea che idealmente separa la vita dalla non-vita, con un numero limitato di geni, la maggior parte dei quali necessari per la sopravvivenza.

Attraverso la loro simulazione, dunque, gli scienziati hanno replicato in tre dimensioni i processi biochimici conosciuti che avvengono all’interno di questa cellula molto elementare e monitorato tutti i nutrienti, gli scarti, i prodotti genetici e altre molecole che si muovono attraverso di essa; in questo modo, hanno potuto cogliere nuovi aspetti di come si sostiene la forma biologica più semplice, rivelando alcuni dei requisiti essenziali della vita.

I risultati ottenuti, inoltre, rappresentano una sorta di “trampolino di lancio” per costruire modelli di cellule naturali più complessi e significativi. Ad esempio, se gli scienziati potessero alla fine costruire una simulazione altrettanto dettagliata di un comune batterio intestinale, l’Escherichia coli, “sarebbe una svolta assoluta – spiega Adamala -, perché tutta la nostra bioproduzione si basa sull’E. coli”.

La cellula minima modellizzata da Luthey-Schulten e colleghi (denominata JCVI-syn3A) contiene un genoma progettato sulla base di quello del batterio molto semplice Mycoplasmas mycoides, ma spogliato dei geni che gli scienziati del progetto hanno sistematicamente determinato non essere essenziali per la vita. JCVI-syn3A, in pratica, possiede soltanto 493 geni, più o meno la metà di quelli del suo ispiratore batterico e solo circa un ottavo di quelli dell’E. coli. Tuttavia, nonostante la sua estrema semplicità, la cellula “digitale” presenta aspetti ancora enigmatici. Per esempio, finora nessuno sa quale sia la funzione di 94 di quei geni, se non che la cellula muore senza di loro. La loro presenza, quindi, suggerisce che ci possano essere compiti viventi o funzioni essenziali per la vita che la scienza ancora ignora”.

Per costruire il nuovo modello cellulare, il team dell’Università dell’Illinois ha raccolto una grande quantità di risultati da vari campi di ricerca e li ha messi insieme. Ha usato immagini istantanee e a fette sottili della cellula minima per sistemare con precisione il suo macchinario organico. Una massiccia analisi delle proteine li ha aiutati a spargere tutte le giuste proteine conosciute all’interno e un’analisi dettagliata della composizione chimica della membrana cellulare (fornita da colleghi della Dresden University of Technology in Germania) li ha aiutati a posizionare correttamente le molecole all’esterno. Una mappa approfondita della biochimica della cellula ha fornito un codice per le interazioni delle molecole. Mirabilmente, mentre la cellula digitale cresceva e si divideva, si verificavano migliaia di reazioni biochimiche simulate, rivelando come ogni molecola si comportava e cambiava nel tempo.

Le varie simulazioni effettuate spesso corrispondevano a molte misurazioni di cellule viventi JCVI-syn3A in coltura. Ma alcune hanno anche previsto caratteristiche delle cellule che non erano ancora state notate in laboratorio. Alcune delle scoperte più sorprendenti hanno riguardato la crescita e la divisione rapide delle cellule JCVI-syn3A. Stanti gli attuali limiti di questo modello sperimentale, si può immaginare che con un modello più completo le ricercatrici e i ricercatori potrebbero essere in grado di diventare “creativi”; potrebbero, ad esempio, vedere cosa succede tagliando i percorsi biochimici, inserendo molecole extra o impostando la simulazione in un ambiente diverso. I risultati dovrebbero dare maggiori informazioni su quali processi le cellule hanno bisogno per sopravvivere e quali no.