Dispositivo di registrazione per la storia delle cellule
I ricercatori del Fare all'ETH stanno utilizzando il sistema Crispr/Cas per sviluppare un nuovo tipo di meccanismo di memoria che produce frammenti di DNA che forniscono informazioni su specifici processi cellulari. La memoria cellulare potrebbe essere utilizzata in futuro anche per la diagnostica.
Gli attacchi virali, il contatto con tossine ambientali o lo stress da fame lasciano tracce molecolari nelle cellule: questi eventi modificano l'attività dei geni, che si riflette nell'RNA messaggero (mRNA). I geni vengono tradotti in mRNA quando sono attivati e letti durante il processo noto come trascrizione. L'attività di un gene può essere letta molto bene dalle molecole di mRNA presenti nella cellula. Tuttavia, queste tracce diventano presto confuse: l'mRNA non è stabile; la cellula spesso umwelt und Geomatik le degrada dopo poco tempo.
Anello di DNA come sistema di immagazzinamento
I ricercatori guidati da Randall Platt del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea hanno ora sviluppato un sistema di immagazzinamento molecolare che memorizza gli eventi di trascrizione sotto forma di una molecola di DNA a forma di anello, un cosiddetto plasmide. Le informazioni memorizzate possono essere lette dai ricercatori determinando la sequenza dei blocchi di DNA del plasmide.
I dottorandi Florian Schmidt e Mariia Cherepkova hanno utilizzato il sistema Crispr/Cas per il loro "dispositivo di memoria". Questo serve ai batteri e agli archei, ad esempio, come semplice memoria immunitaria che immagazzina informazioni genetiche su agenti patogeni già esistenti. Le informazioni sono memorizzate in una posizione predefinita nel plasmide - il cosiddetto array Crispr.
Stringere le informazioni genetiche come perle
Ogni array Crispr contiene un breve frammento di DNA, chiamato "spacer", che proviene dal patogeno. Gli spaziatori provenienti da patogeni diversi sono separati l'uno dall'altro da brevi sequenze di DNA identiche, le "ripetizioni dirette", in modo che la struttura assomigli a un filo di perle.
I ricercatori hanno inserito i geni per il sistema Crispr/Cas di un'altra specie batterica nel materiale genetico del batterio intestinale Escherichia coli genoma del batterio intestinale. Uno di questi geni Cas è collegato a una trascrittasi inversa, un enzima che produce molecole di DNA con lo stesso contenuto informativo dopo la presentazione di molecole di RNA, ossia traduce l'informazione RNA in informazione DNA.
Integrato con questi geni stranieri Escherichia coli-Le cellule sono state in grado di produrre un complesso proteico molecolare che lega brevi molecole di mRNA. La trascrittasi inversa traduce queste brevi molecole di RNA in frammenti di DNA che trasportano le stesse informazioni dell'RNA originale e vengono quindi incorporati nell'array CRISPR in modo simile al processo naturale. Questo processo può avvenire più volte e i nuovi spaziatori vengono incorporati nell'array Crispr in ordine cronologico decrescente: Il frammento di DNA registrato per ultimo nel tempo si colloca sempre al primo posto.
In questo modo è possibile memorizzare un numero qualsiasi di frammenti di DNA. Poiché il DNA è molto stabile, le informazioni in esso contenute si conservano a lungo e vengono trasmesse da una generazione di batteri all'altra. Determinando gli elementi costitutivi del DNA nei plasmidi prodotti, i ricercatori possono finalmente analizzare quale gene era attivo con quale frequenza e in quale sequenza cronologica.
"Questo sistema è un registratore di dati biochimici. Ci permette di registrare e recuperare la risposta genica dei batteri alle influenze esterne, chi siamo", dice Florian Schmidt, primo autore dello studio, appena pubblicato sulla rivista "Nature". "I ricercatori di tutto il mondo lavorano da tempo su questi data logger cellulari artificiali. Ma noi siamo probabilmente i primi ad averne sviluppato uno in grado di registrare una tale varietà di segnali", afferma il professor Platt dell'ETH, non senza orgoglio. I ricercatori di Basilea hanno lavorato a questo sistema per oltre due anni.
Analisi dell'intero registro
Finora i ricercatori si sono spesso dovuti accontentare di un'istantanea della vita di una cellula. Per registrare questa immagine, di solito devono distruggere le cellule, estrarre l'mRNA e quantificarlo con grandi spese. Nell'array Crispr, invece, le cellule registrano una progressione su più fasi diverse, permettendo ai ricercatori di analizzare un intero diario di bordo, per così dire.
Nell'ambito del loro studio, gli Studiare all'ETH hanno mostrato come i registratori di dati equipaggiati con il sistema Crispr/Cas siano in grado di produrre un nuovo tipo di memoria. E. coli-I batteri reagiscono all'erbicida paraquat. La tossina ha innescato una risposta genica nelle cellule, che gli scienziati sono stati in grado di leggere dall'array Crispr anche giorni dopo. Senza un data logger, le tracce molecolari che indicano il contatto con l'erbicida si sarebbero degradate da tempo e le informazioni sarebbero andate perse.
Il logger biochimico potrebbe essere utilizzato principalmente nella ricerca, ma è anche ipotizzabile che possa essere utilizzato come una sorta di sensore per misurare le tossine ambientali, come nell'esempio dell'erbicida, o nella diagnostica. Tuttavia, c'è ancora molta strada da fare prima che possa essere utilizzato nella pratica. Questo studio è solo una prova di concetto. I ricercatori di Randall Platt stanno attualmente lavorando per trasferire il sistema ad altri tipi di cellule, al fine di aprire la strada a strumenti diagnostici.
Riferimento alla letteratura
Schmidt F, Cherepkova MY, Platt RJ. Registrazione trascrizionale mediante acquisizione dello spaziatore CRISPR dall'RNA. Nature, 3 ottobre 2018, doi: pagina esterna10.1038/s41586-018-0569-1