Cos’è il DNA Hachimoji, il codice a 8 lettere trascritto da un enzima batterico: i nuovi studi

Il DNA Hachimoji a 8 lettere (4 basi sintetiche aggiunte alle 4 naturali) è stato trascritto in RNA dall’RNA polimerasi del batterio E. coli. Questo sistema genetico artificiale, stabile come il DNA naturale, apre a nuove frontiere per archiviazione dati, aptameri clinici e astrobiologia.

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A cura di Matteo Galbiati

Tutta la vita che conosciamo sulla Terra scrive le proprie istruzioni genetiche nel DNA con lo stesso identico alfabeto di quattro lettere: A (adenina), T (timina), C (citisina) e G (guanina). Ma cosa succederebbe se esistesse un DNA con il doppio delle lettere? Non fantascienza: esiste già, si chiama Hachimoji DNA ("otto lettere" in giapponese), ed è stato costruito in laboratorio. A differenza dell'acido desossiribonucleico tradizionale, forma in tutto quattro coppie di basi azotate: alle due coppie naturali (A-T, C-G) che compongono il nostro genoma se ne affiancano altre due sintetiche (B-S, P-Z).

La notizia più recente, riportata nello studio "Structural basis of transcription of the hachimoji eight-letter alphabet by E. coli RNA polymerase" pubblicato su Nature Communications, è che questo DNA sintetico è stato letto e trascritto in RNA da un enzima batterico, l'RNA polimerasi di Escherichia coli, lo stesso tipo di macchina molecolare che ogni cellula usa per "leggere" i propri geni. Questo potrebbe essere un passo importante verso sistemi di vita artificiale funzionanti, e potrebbe aprire scenari che vanno dall'archiviazione digitale dei dati alla ricerca di forme di vita extraterrestre basate su chimiche diverse dalla nostra.

Da 4 a 8 mattoncini: la struttura stabile del DNA Hachimoji

Il DNA presente in tutte le nostre cellule è una "scala" a doppia elica i cui pioli sono formati da coppie di basi che si tengono insieme tramite legami a idrogeno (deboli attrazioni elettrostatiche tra atomi di idrogeno e altri atomi): l'adenina (A) si accoppia sempre con la timina (T), la citosina (C) sempre con la guanina (G).

Nel 2019 un team guidato da Steven Benner e Shuichi Hoshika (Foundation for Applied Molecular Evolution, Florida) ha pubblicato su Science la creazione di un sistema a otto lettere: alle quattro basi naturali si aggiungono quattro basi sintetiche, chiamate P, Z, B e S, che si accoppiano rispettivamente P con Z e B con S. Per garantire che queste basi si riconoscano a vicenda in modo esclusivo, i ricercatori hanno ingegnerizzato la loro struttura riorganizzando la disposizione degli atomi donatori e accettori di idrogeno.

dna hachimoji — Strutture chimiche delle coppie di basi a otto lettere Hachimoji. Credit: Q. Li et al., Structural basis of transcription of the hachimoji eight–letter alphabet by E. coli RNA polymerase, Nature Communications (2026)

Tramite cristallografia a raggi X, i ricercatori hanno dimostrato che queste molecole artificiali non deformano l'architettura della doppia elica, mantenendo intatte le proporzioni del DNA standard. Questa stabilità strutturale è fondamentale e risponde al principio del "cristallo aperiodico" teorizzato da Erwin Schrödinger nel 1944: per conservare l'informazione biologica, una molecola deve poter variare liberamente la sua sequenza mantenendo un'impalcatura geometrica rigorosa e regolare. Se le basi sintetiche avessero distorto l'elica, il DNA sarebbe diventato instabile e del tutto illeggibile per gli enzimi cellulari. Conservandone l'esatta geometria, invece, questo sistema artificiale si è confermato compatibile con i meccanismi della biologia che già conosciamo.

I nuovi studi: la trascrizione tramite E. coli

Finora l'alfabeto Hachimoji era stato trascritto con successo solo dalla RNA polimerasi del batteriofago T7, un enzima a singola subunità molto semplice. Le RNA polimerasi cellulari che trascrivono i geni di batteri, piante e animali sono complessi multi-subunità con meccanismi di controllo qualità molto più stringenti.

Uno studio pubblicato nel 2026 su Nature Communications dal gruppo di Dong Wang (University of California San Diego), in collaborazione con lo stesso Benner, ha dimostrato che l'RNA polimerasi di E. coli è in grado di trascrivere efficientemente la coppia P:Z, aggiungendo così un secondo tassello (dopo la coppia B:S, già caratterizzata in un lavoro precedente dello stesso gruppo) alla trascrizione dell'intero alfabeto a otto lettere da parte di un enzima cellulare. Attraverso strutture ottenute con la crioscopia elettronica (cryo-EM, una tecnica che permette di "fotografare" le proteine congelate a risoluzione quasi atomica), i ricercatori hanno osservato che la coppia P:Z, una volta caricata nel sito attivo dell'enzima, induce lo stesso cambiamento conformazionale che si osserva quando l'enzima incorpora basi naturali. In pratica, per la polimerasi, P e Z sono quasi indistinguibili da una normale coppia G:C.

alfabeto hachimoji dna rna — L'alfabeto genetico a otto lettere Hachimoji utilizzato nella trascrizione della RNA polimerasi di E. coli , costituito dalle coppie di basi naturali A:T (U) e G:C e dalle coppie di basi non naturali P:Z e B:S. Credit: Q. Li et al., Structural basis of transcription of the hachimoji eight–letter alphabet by E. coli RNA polymerase, Nature Communications (2026)

La base Z, tuttavia, a causa di un gruppo chimico nitro (-NO_₂) tendeva a perdere un protone e ad assumere una forma che imita la citosina, appaiandosi per errore con la guanina naturale. Per correggere questo difetto, il team ha sintetizzato una variante chiamata Z*, in cui il gruppo nitro è sostituito da un gruppo carbossammidico. Questo intervento ha reso la perdita del protone molto più improbabile riducendo gli errori di appaiamento.

Archiviazione dati e ricerca spaziale: a cosa serve

Tutto molto curioso e interessante ma quali possono essere le applicazioni reali del DNA Hachimoji? Gli autori delle ricerche, spiegano che le applicazioni più concrete si trovano nel mondo degli aptameri: piccole molecole di DNA o RNA capaci di legarsi con grande specificità a un bersaglio, proteine comprese, un po' come fa un anticorpo. L'alfabeto a sei e otto lettere ha già permesso di sviluppare queste strutture (AegisBinders) con capacità di legame superiori a quelle ottenibili con il solo DNA a quattro lettere. Un precedente lavoro citato dal team di Wang descrive aptameri a sei lettere progettati per colpire selettivamente cellule di cancro al fegato. Tra i principali obiettivi futuri c'è la traduzione da RNA Hachimoji in proteine.

trascrizione dna hachimochi — L'enzima RNA polimerasi trascrive il DNA Hachimoji in un RNA. Da un lato si genera l'mRNA, il primo passo essenziale verso l'obiettivo futuro (non ancora realizzato) di tradurre i codoni in proteine. Dall'altro si ottiene RNA non codificante per progettare gli aptameri. Credit: Q. Li et al., Structural basis of transcription of the hachimoji eight–letter alphabet by E. coli RNA polymerase, Nature Communications (2026)

Un alfabeto genetico più ricco, inoltre, significa poter codificare più informazione nello stesso spazio fisico. Con quattro lettere aggiuntive, il numero di sequenze possibili cresce, il che rende questo alfabeto un candidato per l'archiviazione dati ad alta densità. Infine, se un'informazione genetica stabile e leggibile da un enzima cellulare può basarsi su un alfabeto chimico diverso da quello terrestre, allora i criteri con cui cerchiamo tracce di vita altrove nell'universo potrebbero non limitarsi a cercare "il nostro" DNA.

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