Avanzamenti nella biologia sintetica usando il sistema PURE

La biologia sintetica è un campo della scienza che punta a creare nuove parti e sistemi biologici. Un obiettivo interessante è costruire cellule sintetiche che possano imitare le funzioni delle cellule naturali. Per farlo, i ricercatori cercano di replicare funzioni chiave dei sistemi viventi, come la auto-rigenerazione, l’adattabilità e il metabolismo.

#Il Sistema PURE

Uno strumento notevole usato in biologia sintetica è il sistema PURE (Sintesi proteica usando elementi ricombinanti). Questo è un sistema senza cellule, il che significa che non proviene da cellule viventi. Contiene invece tutti gli ingredienti necessari per produrre proteine in laboratorio. Il sistema PURE è particolarmente utile per studiare e costruire funzioni biologiche perché è facile da manipolare.

Il sistema contiene varie proteine responsabili di diversi compiti:

• Trascrizione: Convertire il DNA in RNA.
• Traduzione: Trasformare l'RNA in proteine.
• Rigenerazione dell’energia: Fornire l’energia necessaria per questi processi.

Il sistema PURE ha 36 proteine che lavorano insieme per svolgere queste funzioni.

#Creazione del Sistema PURE

Per creare il sistema PURE, i ricercatori esprimono e purificano le 36 proteine, e poi le combinano con ribosomi e altri componenti che forniscono energia. Recentemente, sono stati sviluppati metodi per semplificare e rendere più economico questo processo, permettendo ai ricercatori di produrre il sistema PURE in modo più efficiente.

#Auto-rigenerazione nelle Cellule Sintetiche

Affinché le cellule sintetiche funzionino come quelle vere, devono saper rigenerare le loro parti. Questo include la rigenerazione del DNA, delle proteine e di altre molecole importanti. La maggior parte della ricerca attuale si concentra sulla rigenerazione di questi elementi uno alla volta, ma collegare questi processi potrebbe rendere la rigenerazione più efficace.

In studi precedenti, è stato dimostrato che alcune proteine all'interno del sistema PURE possono auto-rigenerarsi. Tuttavia, ottenere l’auto-rigenerazione di tutte le 36 proteine è una sfida a causa delle limitazioni nella capacità del sistema di produrle.

#Ottimizzazione del Sistema PURE

I ricercatori stanno lavorando attivamente per migliorare le prestazioni del sistema PURE. Un’area di focus è aumentare l’efficienza della sintesi proteica, che è il processo di creazione delle proteine. L’efficienza può essere misurata come il rapporto tra la quantità di proteine prodotte e la quantità totale di proteine presenti nel sistema.

Ottimizzando con attenzione le concentrazioni di ogni proteina PURE, sono state fatte riduzioni significative nella quantità totale necessaria per un funzionamento efficace. Questa ottimizzazione aumenta l’efficienza della sintesi proteica, permettendo una migliore performance del sistema PURE.

#Progressi nell’Ottimizzazione

Negli sforzi recenti per ottimizzare il sistema PURE, sono state ottenute riduzioni nelle concentrazioni proteiche, mantenendo o addirittura aumentando l’efficienza della sintesi. Ad esempio, un insieme di condizioni ottimizzate ha mostrato una riduzione di circa il 79% nella concentrazione totale di proteine, che ha comunque portato a una maggiore efficienza di sintesi.

Sono state impiegate varie strategie, come regolare le quantità di diversi tipi di proteine responsabili della sintesi. Questo affinamento permette ai ricercatori di massimizzare i benefici del sistema riducendo i componenti non necessari.

#Il Ruolo della Diluzione

I ricercatori hanno anche esplorato come la Diluizione del sistema PURE influisce sulle sue prestazioni. Testando diverse concentrazioni, è stato trovato che il sistema può comunque funzionare in modo efficace anche quando è notevolmente diluito. Questo è importante perché apre nuove possibilità per utilizzare il sistema PURE in diverse applicazioni, comprese quelle legate alle origini della vita.

#Agenti di affollamento

Nelle cellule naturali, gli agenti di affollamento sono sostanze che aiutano a gestire la concentrazione di proteine e altre molecole nell'ambiente cellulare. I ricercatori hanno iniziato a sperimentare l'aggiunta di agenti di affollamento al sistema PURE per migliorare le velocità di sintesi proteica.

I risultati iniziali hanno mostrato che, mentre l'aggiunta di agenti di affollamento non ha avuto molto effetto nei sistemi concentrati, ha significativamente migliorato le prestazioni nei sistemi diluiti. Questo significa che usare agenti di affollamento potrebbe essere una strategia preziosa per ottimizzare il sistema PURE.

#Resa Finale ed Efficienza

Un altro aspetto dell'ottimizzazione delle prestazioni è la resa totale delle proteine prodotte dal sistema PURE. In esperimenti recenti, i ricercatori sono stati in grado di aumentare la resa finale sia nei sistemi concentrati che in quelli diluiti. Questo è promettente poiché rese più elevate sono spesso desiderabili per applicazioni pratiche.

Le ricerche hanno dimostrato che concentrazioni specifiche di agenti di affollamento, in particolare destrosio, possono portare a miglioramenti sostanziali sia nella velocità di sintesi che nella resa finale delle proteine.

#Direzioni Future

Il lavoro in corso con il sistema PURE mostra promesse per creare cellule sintetiche più sofisticate. Combinando i miglioramenti ottenuti nell’auto-rigenerazione, nell’efficienza della sintesi proteica e nella resa, i ricercatori sono più vicini a sviluppare sistemi che possano imitare le funzioni delle cellule viventi.

Intervalli di diluizione più lunghi nei sistemi microfluidici consentono un migliore controllo delle condizioni, il che è anche cruciale per ottenere la rigenerazione di tutte le proteine nel sistema.

#Conclusione

Il percorso verso la costruzione di cellule sintetiche sta avanzando rapidamente. Con strumenti come il sistema PURE e i miglioramenti ottenuti attraverso la ricerca e la sperimentazione, la visione di cellule sintetiche auto-sostenibili e rigenerative sta diventando sempre più realizzabile. Comprendendo e replicando le funzioni essenziali dei sistemi viventi, i ricercatori possono aprire nuove strade nella biotecnologia, nella medicina e oltre.