I video amatoriali dell'infanzia possono essere commoventi, esilaranti o addirittura imbarazzanti. Ma i nastri contengono una risorsa inestimabile: frammenti del viaggio di un bambino mentre impara a navigare nel mondo. Certo, le foto possono anche catturare un primo compleanno o una prima caduta da una bicicletta, ma piuttosto che un film, sono singole istantanee nel tempo.
Gli scienziati hanno cercato a lungo di incorporare "videocamere" di DNA nelle cellule per catturare la loro storia. Come i bambini, le cellule crescono, si diversificano e maturano mentre interagiscono con l'ambiente. Questi cambiamenti sono incorporati nell'attività genica di una cellula e, ricostruendoli nel tempo, gli scienziati possono dedurre lo stato attuale di una cellula, ad esempio, sta diventando cancerosa?
La tecnologia "approfondirebbe le conoscenze sulla biologia dello sviluppo e del cancro che potrebbero essere tradotte in strategie terapeutiche", disse Il dottor Nozomu Yachie e colleghi dell'Università della British Columbia.
Il problema? Il processo di registrazione, ad oggi, è stato composto solo da singole istantanee e ha distrutto la cellula, rendendo impossibile tracciarne la crescita.
Ora, un team guidato dal dottor Seth Shipman presso l'UCSF Gladstone Institute ha progettato un registratore biologico—soprannominato Retro-Cascorder—che, come una videocamera della vecchia scuola, può catturare la storia dell'espressione genica di una cellula su un "nastro" di DNA per giorni alla volta. Grazie a CRISPR, questi “nastri” vengono poi integrati nel genoma della cellula, che può essere letto in un secondo momento.
I dati risultanti non sono esattamente I video più divertenti d'America. Piuttosto, è più un libro mastro che documenta più segnali biologici e li archivia ordinatamente in ordine cronologico.
"Questo nuovo modo di raccogliere dati molecolari ci offre una finestra senza precedenti sulle cellule", disse Marinaio. Oltre a intercettare la storia dello sviluppo di una cellula, ad esempio il modo in cui si è diversificata da una cellula staminale comune, l'aggiunta di Retro-Cascorder potrebbe trasformare le cellule normali in biosensori viventi che monitorano l'inquinamento, i virus o altri contaminanti, mentre testano l'abilità del DNA come un dispositivo di archiviazione dati affidabile.
L'ascesa dei nastri del DNA
Perché tenere traccia della cronologia di una cellula?
Immagina una cellula da bambino. Partendo da un uovo fecondato, cresce, cambia il suo aspetto esteriore - in una cellula della pelle o in un neurone, per esempio - e per le cellule riproduttive, trasmette informazioni genetiche ai suoi figli. Il viaggio di una cellula attraverso la vita non è determinato solo dalla sua genetica, piuttosto, il modo in cui le sue istruzioni genetiche vengono eseguite dipende dalle interazioni sia con i suoi vicini cellulari che con il mondo esterno: dieta, esercizio fisico, stress e qualsiasi cosa il suo ospite umano sperimenta.
Queste richieste di natura e educazione attivano una cellula per attivare un determinato modello di geni, un processo chiamato espressione genica. Tutte le nostre cellule ospitano lo stesso insieme di geni; ciò che li rende diversi è quali sono accesi o spenti. L'espressione genica è estremamente potente: può cambiare l'identità, la funzione e, in definitiva, i processi biologici che governano la vita di una cellula.
Sarebbe fantastico dare una sbirciatina al loro funzionamento interiore.
Un modo è l'approccio snapshot. Utilizzando tecnologie "omiche", ovvero analizzando milioni di cellule contemporaneamente per l'espressione genica, il metabolismo o altri stati, possiamo ottenere un'istantanea ad alta risoluzione di un gruppo di cellule in un determinato momento. Sebbene potente, il processo distrugge il campione. Il motivo è perché la lettura delle informazioni sull'espressione genica memorizzate all'interno delle cellule, un metodo chiamato RNAseq, richiede la scomposizione dell'involucro grasso e frizzante della cellula per accedere ed estrarre le molecole. Immagina di puntare il telescopio James Webb in qualsiasi punto dello spazio, sapendo che il telescopio cancellerà tutto ciò che vede, sì, non eccezionale.
I nastri del DNA adottano un approccio diverso. Come un editor video, "taggano" gli eventi di una cellula con un codice a barre composto da lettere del DNA, un po' come un timestamp. Shipman non è estraneo all'utilizzo del DNA come dispositivo di archiviazione. Nel 2017, lavorando con il biologo sintetico Dr. George Church ad Harvard e il team, hanno codificato un filmato digitale nel genoma dei batteri viventi utilizzando CRISPR.
Un diario del DNA
Il nuovo studio aveva un obiettivo relativamente semplice: come una telecamera attivata dal movimento, iniziare a registrare ogni volta che un particolare gene si accende.
Per progettare Retro-Cascorder, il team si è rivolto a un elemento genetico enigmatico, il retrons. Questi sono piccoli frammenti di DNA batterico che hanno sconcertato gli scienziati per decenni, prima di rendersi conto che fanno parte del sistema immunitario di un batterio. Torna in 2021, il coautore dello studio Church ha trasformato i retrons da una strana stranezza batterica in uno strumento di modifica genetica che possono schermare milioni di variazioni del DNA e seguirne gli effetti, allo stesso tempo. Fondamentalmente, si sono resi conto che i retron possono essere usati come tag per marcare l'ora di un particolare cambiamento genetico nel tempo.
Qui, il team ha iniziato progettando retron per produrre tag DNA specifici, come la stampa di una serie di codici a barre per contrassegnare i pacchetti. I tag sono collegati ai promotori del DNA che, come un semaforo, danno alla cellula l'autorizzazione ad attivare un gene.
Una volta che un gene si accende, il retron genera automaticamente un codice a barre univoco che ne certifica l'attività. È un processo a più fasi: il tag, originariamente codificato nel DNA, viene prima trascritto nell'RNA dalla cellula e quindi riscritto nelle "ricevute" del DNA dai retroni.
Pensa a un registratore di cassa di un ristorante. È l'equivalente di stampare un ordine, a una certa ora, con una ricevuta.
Dopo aver verificato che la tecnologia funziona come previsto, il team si è quindi rivolto alla realizzazione di "filmati" di una cella utilizzando tag basati su retron. Non è un video nel senso tradizionale: il team doveva ancora analizzare i codici a barre al termine di una sessione di registrazione, di circa 24 ore, per la riproduzione, che distrugge le cellule.
Tenere traccia delle modifiche dell'espressione genica in un'istantanea nel tempo è relativamente semplice. Tenere traccia degli stessi cambiamenti nell'arco della giornata è molto più difficile. Per costruire una sorta di "memoria" per il registratore, il team si è rivolto a CRISPR-Cas. Qui, gli array CRISPR fungono da diario, mentre i retrons come le voci giornaliere. Le ricevute del DNA, generate dai retroni, sono incorporate in un array CRISPR. Come le cassette, contengono dati seguiti da distanziatori, come uno schermo nero, per aiutare a separare gli eventi. Man mano che vengono aggiunte nuove informazioni, i distanziatori precedenti si allontanano ulteriormente dalla voce più vicina, rendendo possibile decifrare una sequenza temporale di eventi.
Le cellule con la capacità di utilizzare CRISPR per scrivere dati genetici "possono registrare progressivamente eventi cellulari ... in nastri di DNA", ha affermato Yachie.
In una prova di concetto, il team ha introdotto Retro-Cascorder Escherichia coli (E. Coli), i batteri preferiti del laboratorio, attraverso l'ingegneria genetica. Incorporare il nuovo costrutto è stato un gioco da ragazzi per l'insetto e un buon segno per gli scienziati, poiché suggerisce poco stress o tossicità per le cellule.
Hanno quindi attivato uno o entrambi i promotori del DNA utilizzando sostanze chimiche, come fare clic su "registra" su un Walkman. Nell'arco di 48 ore, il sistema ha registrato le modifiche dell'espressione genica come previsto nell'array CRISPR. Dopo aver approfondito ulteriormente la sequenza degli array CRISPR, ovvero averli riletti in seguito, hanno scoperto che la cronologia della cella è progredita come previsto.
Un'intera storia di te
Il nuovo nastro DNA è come registrare piccoli frammenti di un film nel tempo. Ma è stranamente modificato. Sebbene il Retro-Cascorder possa dire la sequenza delle attivazioni geniche, non può individuare il timelapse tra due eventi adiacenti. Come in un home video, lo stesso giorno potrebbe essere una clip di una prova di ballo seguita da una cena; o anni di distanza.
Ma rispetto ai tentativi precedenti, il nastro è un salto tecnologico, con segnali migliori, maggiore durata della registrazione e migliore riproduzione.
"Questo non è ancora un sistema perfetto, ma pensiamo che sarà comunque migliore dei metodi esistenti, che consentono di misurare solo un evento alla volta", ha affermato Shipman.
La corsa per il documentarista cellulare perfetto è iniziata e la maggior parte ha CRISPR al centro. Per Yachie, un modo è sostituire il buon-ole'-CRISPR con editori di base or CRISPR primo, entrambi causano meno danni al genoma della cellula. Anche il "videoregistratore" biologico, che rilegge l'espressione registrata di un gene, ha bisogno di un aggiornamento, potenzialmente alimentato da una migliore abilità di calcolo.
Una volta perfezionati, i registratori di DNA potrebbero aiutarci a tracciare la traiettoria di sviluppo di mini-cervelli e altri organoidi, studiare le cellule tumorali mentre si evolvono, monitorare gli inquinanti ambientali nelle cellule, il tutto senza mettere in gioco vite umane.
Immagine di credito: ImmoWegmann / Unsplash
