Scienziati trasformano cellule di mammiferi in complessi biocomputer

Circuiti genetici che controllano l’azione delle cellule: ricercatori scoprono un nuovo modo di approcciarsi alla cura delle malattie e del cancro.

L’hardware dei computer si sta intimidendo. Un gruppo di ricercatori ha tirato fuori un potente biocomputer: grazie all’ingegneria genetica le cellule dei mammiferi sono in grado di processare calcoli complessi. Il gruppo non ha ancora trovato uno scopo preciso a queste cellule, ma lontana lontana c’è la speranza di poter migliorare la medicina, a partire dalla cura contro il cancro, a tessuti on-demand che possono riparare parti del corpo danneggiate.

Il fatto che l’ingegneria genetica tenti di convertire cellule in computer non è un fatto nuovo. Nell’ampio campo della biologia sintetica, team di ricercatori hanno manipolato il DNA per anni, programmando le cellule per poter svolgere semplici azioni. Ad esempio, emettere luce, nel caso in cui i livelli di ossigeno calino sotto una certa soglia. Fino ad oggi, i test sono stati eseguiti su Escherichia coli e altri tipi di batteri, perché i loro geni erano molto facili da manipolare. I ricercatori sono anche riusciti a connettere tra di loro diversi circuiti all’interno della stessa cellula per poter fare calcoli più complessi.

Gli scienziati hanno tentato di estendere questi concetti alle cellule dei mammiferi per poter creare circuiti genetici utili a rilevare e curare le malattie dell’essere umano. Tutti gli sforzi di costruire un circuito genetico su questo tipo di cellule non hanno, però, portato alcun risultato: Perché circuiti complessi funzionino, tutte i singoli componenti -l’accensione e lo spegnimento dei diversi geni- devono lavorare coerentemente. Il metodo più comune per spegnere o accendere i geni è legato all’utilizzo di proteine chiamate fattori di trascrizione, che regolarizzano l’espressione di ogni gene. Il problema è che i fattori di trascrizioni “si comportano tutti un po’ a proprio modo”, dice Wilson Wong, biologo dell’Università di Boston.

Per migliorare i loro “interruttori” genetici, Wong e i suoi colleghi hanno deciso di non utilizzare i fattori di trascrizione, in favore di enzimi che tagliano selettivamente pezzi di DNA. Questi enzimi, chiamati ricombinasi, riconoscono il filamento di DNA da tagliare, lungo approssimativamente dalle 30 alle 50 coppie di basi. Non appena la ricombinasi identifica il bersaglio, taglia e cuce il filamento. Per disegnare i circuiti genetici, Wong e i suoi colleghi usano lo stesso metodo delle cellule, che legge il DNA, ne trascrive i geni in RNA e poi traduce quest’ultimo in proteine. Questa operazione tra geni e proteine è iniziata da un altro filamento di DNA, chiamato promotore. Quando il promotore viene attivato, una molecola chiamata RNA-polimerasi si mette in moto, percorrendo tutta la strada della sequenza di DNA, producendo RNA finché non trova un altro filamento — un cosiddetto terminatore — che lo avvisa di fermarsi.

Per creare uno dei circuiti più semplici, il team di Wong ha inserito altri 4 pezzettini di DNA dopo un promotore. La prima produce una proteina verde fluorescente (PVF), che accende le cellule di verde non appena prodotta. Ma proprio davanti a questo filamento di trova un terminatore, affiancati da due filamenti che segnalano la ricombinasi. Wong e il suo team hanno poi inserito nella stessa cellula un ricombinasi modificata, ce si attiva solo se stimolata da una precisa sostanza: senza di essa, la ricombinasi non taglierebbe il DNA.

Quando il promotore della PVF viene attivato, la RNA-polimerasi fa la sua corsa fino al terminatore, smette di leggere il DNA e non produce la proteina fluorescente. Ma quando viene aggiunta una determinata sostanza, la ricombinasi si accende e taglia la sequenza terminatrice che impediva che alla polimerasi di iniziare la produzione di PVF. Et Voila, la cellula si accende.

E come se questa macchina di Rube Goldberg non bastasse, Wong e colleghi dimostrarono che combinando più ricombinasi, ognuna con diversi bersagli, si possano creare una grande varietà di circuiti, ognuno con funzionalità diverse. Questo metodo funziona così bene, che il team ebbe una percentuale di successo del 96,5% su 113 circuiti differenti, come riportato dal Nature Biotechnology. Come ulteriore dimostrazione, hanno modificato delle cellule umane per riprodurre una versione biologica di una macchina di Boole. Il circuito ha, quindi, 6 diversi input che si possono combinare in diversi modi per poter eseguire una di 16 diverse operazioni logiche.

“La cosa interessante è che questo metodo ci permetti di costruire circuiti genetici su un ordine di grandezza molto maggiore ai precedenti”, dice Timothy Lu, un biologo del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. Anche se gli attuali circuiti sono stati utilizzati solamente per dimostrare un metodo, sia Wong che Lu concordano nel dire che i ricercatori vorranno utilizzarli per creare nuove terapie. Ad esempio i ricercatori potrebbero ingegnerizzare i linfociti T, le sentinelle del notro sistema immunitario, con circuiti genetici in grado di distruggere cellule tumorali, pensa Lu. Un altro campo in esplorazione è quello delle cellule staminali: Wong e altri vorrebbero che le staminali si programmassero in diversi tipi a seconda degli stimoli ricevuto. Questo potrebbe permettere ai biologi di generare diversi tessuti on demand, come cellule che producono insulina o cartilagine.


Trad. in italiano. Articolo originale: BBC


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