Dopo aver raccontato che cosa caratterizza la genomica sintetica, in che cosa si distingue dalla genomica basata esclusivamente sulla lettura del DNA e su quali pilastri metodologici si fonda, proseguiamo la panoramica su questo campo analizzando il suo stato attuale e le prospettive future più probabili nelle diverse categorie di organismi. Concluderemo poi con una riflessione sugli aspetti etici e filosofici che l’adozione della genomica sintetica solleva. Anche in questo caso, a fondo testo è disponibile un breve glossario per alcuni termini tecnici.

La genomica sintetica nei microrganismi

Oltre a fungere da prova di fattibilità, la sintesi di un ceppo sintetico di M. mycoides aveva anche lo scopo studiare quale potesse essere la porzione minima di genoma in grado di sostenere la vita. Per questo motivo il genoma sintetico era circa la metà della dimensione del genoma naturale. È interessante osservare che per produrre una cellula vitale fu necessario includere geni che non erano stati predetti come essenziali, dimostrando quanto sia ancora parziale la nostra conoscenza delle regole della genomica.

In seguito a quel primo successo, nel 2010, sono stati prodotti anche altri genomi batterici. Nel 2019 fu prodotto il primo batterio modello Escherichia coli completamente sintetico, per il quale si passò effettivamente alla riscrittura di un genoma, basato su un alfabeto di soli 61 codoni anziché i naturali 641; E. coli Syn61, il suddetto ceppo batterico, fu utilizzato per incorporare amminoacidi non-naturali nell’alfabeto proteico, espandendo così le capacità codificanti di un genoma. Due codoni serina e un codone di stop furono sostituiti con codoni sinonimi. La compressione del codice genetico in organismi sintetici apre infatti una nuova prospettiva: i codoni naturali, eliminati dal genoma, possono essere reintrodotti, insieme a nuovi tRNA e alle rispettive sintetasi, per codificare amminoacidi non naturali, espandendo l’alfabeto cellulare e, di conseguenza, ampliando la capacità di produrre nuove proteine e ottenere nuove funzioni.

Nel 2025, questo concetto è stato ulteriormente espanso con la generazione del ceppo di E. coli Syn57, che utilizza un alfabeto più compresso, di 57 codoni. Ci sentiamo di azzardare che la genomica sintetica diventerà a brevissimo la metodologia cardine in tutti i settori della microbiologia con applicazioni biotecnologiche, quali approcci di bonifica ambientale (environmental remediation), a produzione di nuovi composti industriali. Si può pensare anche a ristrutturare il codice genetico riassegnando i tRNA per un amminoacido a codoni diversi, in maniera tale da isolare geneticamente delle specie – per esempio, rendendole resistenti a virus. 

I cromosomi artificiali per gli animali

I genomi mammiferi si distinguono da quelli batterici ed eucarioti inferiori non solo per dimensione (circa tre ordini di grandezza superiore a quello di E. coli), ma anche per organizzazione e struttura, quali il livello di ploidia, la presenza di introni e zone ancora di comprensione oscura, e soprattutto per la regolazione a livello di trascrizione, di traduzione e di funzione proteina.

Nelle cellule animali, il progresso della genomica sintetica ha coinvolto soprattutto la creazione di linee cellulari per studiare meccanismi biologici e patologie, e non l’assemblaggio di interi genomi, non solo perché fuori dalla attuale portata tecnologica ma soprattutto per motivi etici. Tra gli strumenti più utili per lo sviluppo di tecniche di genomica sintetica in eucarioti, i cromosomi artificiali di lievito (Yeast Artificial Chromosomes, YACs) o di batterio (Bacterial Artificial Chromosomes, BACs) sono preziosi derivati del progetto di sequenziamento del Genoma Umano. In quell’occasione, infatti, l’intero genoma umano fu suddiviso in sezioni della lunghezza di alcune centinaia di migliaia di bp, più trattabili per essere lette individualmente ed essere assemblate solo in un secondo momento in una sequenza di lettura continua. Questi cosiddetti megacloni hanno permesso una conoscenza più approfondita degli elementi fondamentali del genoma. BACs e YACs contenenti sequenze umane di circa 150 mila bp possono essere utilizzati a scopo di modello: per esempio, BACs contenenti il gene dell’immunoglobulina umana furono trasferiti in topo per sostituire il gene endogeno, in modo da produrre un modello “umanizzato” su cui condurre studi immunologici più precisi.

Analogamente a BACs e YACs, sono stati sviluppati anche cromosomi artificiali umani (Human Aritificial Chromosomes, HACs), che imitano strutturalmente quelli naturali. Gli HACs hanno permesso lo studio di malattie genetiche rare, come la fibrosi cistica, includendo il contesto genomico circostante (perché ricapitolato in HACs) e senza interferenze con il resto del genoma, senza dover ricorrere a modelli parziali.

L’applicazione della genomica sintetica agli animali apre interessanti quesiti: si può concepire un genoma minimo da cui siano eliminati tutti i tratti non essenziali a livello di regolazione (probabilmente retaggio dell’evoluzione e ormai prive di funzione)? Potremmo realizzare genomi animali simili a quelli naturali, nei quali i geni siano organizzati in posizioni diverse, in modo da investigarne gli effetti posizionali. Oppure si potrebbe progettare cellule sintetiche volte solo a specifiche funzioni, facendo sì per esempio che i geni siano quelli minimi necessari per soddisfare una determinata funzione, senza rischi di attivazioni di geni che possano sviluppare tumori.

Le sfide della genomica sintetica per le piante 

Se non fosse per le difficoltà metodologiche che ancora oggi limitano fortemente la sua applicazione azzarderemmo che l’agricoltura, e in particolare il miglioramento genetico delle colture, siano le aree che beneficeranno maggiormente dell’applicazione della genomica sintetica. Le ormai molto consolidate metodologie di coltura in vitro, che permettono di ottenere piante adulte fertili a partire da poche cellule modificate, affiancandosi agli approcci di genomica sintetica, potrebbero rivoluzionare la produzione di colture che siano produttive, resilienti, in grado di rispondere efficacemente alle sfide dovute ai cambiamenti climatici e capaci di sfruttare al meglio le risorse, nonché di fornire prodotti di qualità per il consumo diretto e per la trasformazione.

Purtroppo le difficoltà richiamate per le cellule di mammifero si amplificano allorché si considerano le piante. Con l’eccezione del riso, che ha un genoma relativamente compatto (circa 400 milioni bp) tutte le altre principali colture hanno genomi molto grandi, costituiti fino a oltre l’80% da sequenze ripetute (mais circa 2,5 miliardi bp, frumento circa 14,5 miliardi bp, rispetto a Homo sapiens circa 3,1 miliardi bp). Mancano inoltre metodi efficaci di ricombinazione omologa che, come abbiamo visto, sono fondamentali per produrre cromosomi sintetici.

Intensa è l’attività di ricerca volta a superare queste limitazioni. Un progetto pilota cinese, condotto sul muschio modello Physcomitrium patens, adottando sostanzialmente la metodologia messa a punto in lievito, ha ottenuto nel 2024 la sostituzione parziale di un cromosoma naturale con la parte sintetica corrispondente, privata di tutte le sequenze ripetute. Questo parziale risultato è soltanto l’inizio di un lungo cammino, ma è ragionevole pensare che, nell’arco di vita delle/degli attuali giovani ricercatrici e ricercatori, la genomica sintetica sarà un fondamento del miglioramento genetico delle colture. Perché non immaginare cereali e verdure capaci di crescere sui suoli lunari o marziani? Chissà, forse i nostri pronipoti sorrideranno ricordando gli sforzi di Matt Damon di coltivare patate nel film The Martian. 

Gli aspetti etico-filosofici della genomica sintetica

Fin dall’inizio dell’era biotecnologica, con la scoperta degli enzimi di restrizione, molte questioni etiche hanno seguito strettamente il progresso scientifico. A febbraio 2025 si è conclusa una nuova edizione della prima conferenza di Asilomar (1975), con il proposito di affrontare temi scientifici di rilevanza sociale, tra i quali la genomica sintetica. A settembre 2025, una nuova conferenza tenutasi presso l’Università di Manchester, con un focus particolare sulla genomica sintetica e la mirror life, ha nuovamente evidenziato le potenzialità della biologia sintetica, al tempo stesso esortando a una riflessione etica sui temi proposti. Questo recente campo apre possibilità precedentemente inesplorabili per la scoperta ed elucidazione di alcuni dei principi di base della biologia, permettendo di uscire finalmente da una spiegazione correlativa per esporre rapporti di causalità nei sistemi viventi con un rigore finora inaccessibile. Si ricordi inoltre che, scientificamente, non è interesse dei ricercatori generare organismi superiori sintetici, quando la rilevanza degli studi si manifesta soprattutto a livello cellulare. Per questo motivo, attualmente le tecnologie di genomica sintetica sono sviluppate puramente a scopo conoscitivo, in linee cellulari di laboratorio spesso instabili e adattate alle condizioni di coltura sperimentale, decisamente inadatte ad ulteriori sviluppi. Non solo la loro efficienza non permetterebbe di generare tessuti o addirittura organismi eucarioti superiori – ancora meno embrioni – ma le metodologie stesse sono inutilizzabili a scopi diversi, date le condizioni in cui sono svolte. 

D’altra parte, è opportuno mantenere alta l’attenzione, ora e in futuro, verso le conseguenze di un utilizzo distratto o addirittura intenzionalmente distorto di tecnologie che possono modificare il materiale genetico su larga scala. La comprensione e la capacità di assemblare genomi di microrganismi implicano che in futuro sia possibile progettare anche piccoli genomi nuovi e potenzialmente patologici, che possano essere utilizzare come armi biologiche. Per arginare questi rischi, ogni progetto di genomica sintetica deve essere sottoposto a un rigoroso esame e approvazione da parte di comitati etici dedicati. Lo stesso vale per gli interventi sul genoma umano. Si pensi, per esempio, al caso di Jiankui He, il ricercatore che modificò il DNA di due gemelle per renderle resistenti all’HIV: in quel caso, la tecnologia impiegata era quella basata su CRISPR/Cas9, che permette interventi puntiformi o di poche migliaia di basi; proporzionalmente, i rischi connessi a strategie di progettazione di interi genomi necessita di regolamentazione che escluda derive eugenetiche, soprattutto se ci si immagina una convergenza tra il progresso della genomica sintetica e quello ottenuto nel campo della coltura delle cellule staminali.

Per questo motivo, dal punto di vista legislativo sono spesso rigorosamente vietati dagli enti finanziatori gli esperimenti in cellule staminali embrionali, il tipo di staminali che potrebbe originare un organismo. Tuttavia, per scongiurare futuri utilizzi eticamente opinabili, settori di ricerca dall’alto potenziale impatto sulla vita quotidiana della società intera necessitano di un continuo confronto con i cittadini (soprattutto le comunità che più sarebbero toccate da certi progetti, quali pazienti con una determinata malattia o consumatori di un determinato prodotto agricolo), nella forma di divulgazione scientifica comprensibile e puntuale, e di un dialogo su necessità e preoccupazioni. Un dialogo che, in effetti, sta nascendo a livello internazionale. Il problema della divulgazione non è nuovo ed è stato evidenziato già per tecnologie di intervento limitate a poche paia di basi, come nel caso di CRISPR/Cas9. Allo stesso modo, per la genomica sarebbe è auspicabile un’ampia e capillare condivisione con cittadini ed enti legislativi, in maniera tale da definire quali interventi a livello genomico siano legittimi, quali siano i limiti nella scrittura di un genoma. La reciproca comprensione è cruciale per permettere alla scienza di progredire nel limite di regolazioni basate su dati concreti, tutelando gli interessi etici di singoli cittadini e della società. 

Glossario

• Il codone è l’unità del codice genetico, costituito da tre nucleotidi di DNA adiacenti. Esistono in natura 61 codoni, ciascuno che specifica uno dei 20 amminoacidi naturali che sono i blocchi costitutivi delle proteine.. Altri 3 codoni fungono da segnali di interruzione della sintesi proteica. La successione di codoni è presente sugli mRNA in seguito alla trascrizione e maturazione degli stessi.

• I tRNA sono brevi molecole di RNA coinvolti nella sintesi proteica (traduzione). I tRNA hanno una duplice caratteristica. A un’estremità è legato uno specifico amminoacido che è veicolato nel sito dove avviene la traduzione. Il legame tra tRNA e amminoacidi è prodotto dagli enzimi sintetasi. Durante la traduzione i tRNA interagiscono con i codoni presenti sugli mRNA attraverso un appaiamento complementare tra la tripletta del codone a la sequenza complementare presente sul tRNA (anticodone).

• La mirror life, o vita specchio, è un’idea scientifica che immagina forme di vita costruite con la “versione speculare” delle molecole della vita come la conosciamo. Per capirne meglio il significato, bisogna sapere che tutte le molecole biologiche — come amminoacidi e zuccheri — hanno una chiralità, ovvero possono esistere in due versioni speculari, come le nostre mani destra e sinistra, e infatti queste due versioni sono definite. Queste due versioni si chiamano L (left) e D (right). In condizioni naturali, tutti gli amminoacidi presenti nelle cellule sono nella forma L, mentre tutti gli zuccheri del DNA e dell’RNA sono nella forma D.