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Jan 28, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 6530 (2022) Citare questo articolo

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La biologia sintetica dal basso verso l’alto fornisce nuovi mezzi per comprendere la materia vivente costruendo sistemi minimi simili alla vita. Questo principio può essere applicato anche per studiare le malattie infettive. Qui riassumiamo gli approcci e le considerazioni etiche per l'assemblaggio dal basso verso l'alto dei cicli di replicazione virale.

La biologia sintetica dal basso ha aperto nuove strade per la costruzione di sistemi artificiali che ricreano la struttura e la funzione delle cellule viventi. Grazie all'applicazione di approcci di ricostituzione in vitro sono state ottenute nuove conoscenze fondamentali sui meccanismi alla base della vita, come i principi fisici della divisione cellulare1, della motilità cellulare2, della comunicazione cellulare3 e della morfogenesi4. Nel presente contesto, definiamo la biologia sintetica dal basso verso l'alto come un campo che si sforza di costruire materiali minimi simili alla vita mediante la ricostituzione dal basso verso l'alto dei fenomeni cellulari in vitro5. A tal fine, vengono applicati elementi costitutivi biologici e artificiali per creare strutture molecolari che presentano funzioni inerenti alla vita. Storicamente, e spinto dalla sua emersione dalle scienze fisiche, il campo si è concentrato sulla costruzione di cellule sintetiche che ricapitolano le caratteristiche costituzionali delle cellule naturali (ad esempio metabolismo6, divisione1, evoluzione7, elaborazione delle informazioni8, compartimentazione9). Nella sua essenza, la biologia sintetica dal basso verso l’alto ridefinisce l’algoritmo della ricerca biologica convenzionale, che segue il concetto di osservare-descrivere-comprendere, studiando i sistemi viventi in una modalità progettazione-costruzione-comprensione. Questa strategia di apprendimento attraverso la costruzione è potenziata riducendo la complessità molecolare dei fenomeni cellulari, consentendo una decostruzione graduale dei processi più fondamentali della vita. Lungo questa linea di ricerca, sono stati sviluppati diversi nuovi strumenti per ingegnerizzare cellule artificiali, ad esempio tecnologie microfluidiche per costruire e manipolare vescicole lipidiche che fungono da impalcature cellulari sintetiche e strategie avanzate di ingegneria genetica per creare cellule sintetiche che scambiano informazioni con il loro ambiente8,10 . A questo proposito, la disponibilità di strumenti molecolari in continua espansione per la ricostituzione in vitro dei fenomeni cellulari ha notevolmente accelerato i progressi nel campo11, portando a portata di mano l'obiettivo finale, la creazione di un sistema sintetico veramente vivente.

Oltre agli sforzi di ricerca diretti a svelare i principi fondamentali delle forme di vita cellulare, diversi studi hanno fornito una dimostrazione iniziale di come l'approccio riduzionistico progettazione-costruzione-comprensione possa essere applicato agli obiettivi della ricerca biomedica12,13,14,15. Negli ultimi anni, gli studi basati su sistemi biologici minimi hanno portato alla luce cellule sintetiche progettate per scopi terapeutici. Questi includono cellule sintetiche in grado di produrre e rilasciare in modo controllato l'insulina in seguito all'esposizione a maggiori concentrazioni di glucosio in vivo16 e cellule sintetiche che producono autonomamente proteine ​​terapeutiche all'interno dei tumori17. Questi progressi mostrano il potenziale della biologia sintetica dal basso verso l’alto nelle applicazioni biomediche e informano la ricerca che potrebbe potenziare agenti terapeutici completamente nuovi. Inoltre, ciò dimostra anche come i sistemi biologici artificiali possano essere applicati per decifrare i meccanismi molecolari alla base degli stati patologici. È importante sottolineare che tali strategie ingegneristiche si basano su un principio fondamentale della biologia sintetica: la modularità. I ricercatori nel campo della biologia sintetica dal basso verso l'alto progettano singoli moduli cellulari (ad esempio compartimenti18, citoscheletri19 o organelli separati in fase20) che possono essere combinati quasi in modo plug-and-play. Ciò consente di scomporre le questioni biologiche in sottoinsiemi affrontabili, consentendo al tempo stesso la decostruzione sequenziale dei singoli meccanismi molecolari. Pertanto, gli studi basati su una strategia dal basso verso l’alto sono particolarmente potenti per deconvolure i meccanismi molecolari dei processi patologici che si verificano in modo sequenziale e modulare. La ricostituzione dei cicli di infezione virale è un ottimo esempio di dissezione sistematica secondo i principi della biologia sintetica dal basso verso l’alto.