Il più piccolo registratore al mondo è costruito da microbi.
Attraverso alcuni intelligenti hack molecolari, i ricercatori del Columbia University Medical Center hanno convertito un sistema immunitario batterico naturale in un registratore microscopico di dati, gettando le basi per una nuova classe di tecnologie che utilizzano cellule batteriche per tutto, dalla diagnosi della malattia al monitoraggio ambientale.
I ricercatori hanno modificato in laboratorio un ceppo ordinario del microorganismo ubiquitario dell’intestino umano Escherichia coli, consentendo ai batteri non solo di registrare le loro interazioni con l’ambiente, ma anche di segnare il tempo degli eventi.
“Questi batteri, inghiottiti da un paziente, potrebbero essere in grado di registrare i cambiamenti che sperimentano attraverso l’intero tratto digestivo, offrendo una visione senza precedenti di fenomeni precedentemente inaccessibili“, dice Harris Wang, Assistente Professore nel Dipartimento di Patologia e Biologia Cellulare e Sistemi Biologia al CUMC e autore senior del nuovo lavoro, descritto nel numero di oggi di Science.
Altre applicazioni del nuovo sistema, potrebbero includere il rilevamento ambientale e studi di base in ecologia e microbiologia, in cui i batteri potrebbero monitorare i cambiamenti altrimenti invisibili senza modificare l’ambiente circostante.
Wang e membri del suo laboratorio hanno creato il registratore microscopico di dati sfruttando CRISPR-Cas che copia frammenti di DNA dei virus invasori in modo che le generazioni successive di batteri possano respingere questi patogeni in modo più efficace. Di conseguenza, il locus CRISPR del genoma batterico accumula una registrazione cronologica dei virus batterici e dei loro antenati sopravvissuti. Quando quegli stessi virus cercano di infettare nuovamente, il sistema CRISPR-Cas può riconoscerli ed eliminarli.
“Il sistema CRISPR-Cas è un dispositivo di memoria biologica naturale“, afferma Wang. “Da un punto di vista ingegneristico è già un sistema che è stato perfezionato grazie all’evoluzione per essere davvero bravo a memorizzare le informazioni”.
CRISPR-Cas utilizza normalmente le sequenze registrate per rilevare e tagliare il DNA dei fagi in entrata. La specificità di questa attività di taglio del DNA ha reso CRISPR-Cas il tesoro dei ricercatori in terapia genica, che lo hanno modificato per apportare cambiamenti precisi nei genomi di cellule in coltura, animali da laboratorio e persino umani. Infatti, oltre una dozzina di studi clinici sono attualmente in corso per trattare varie malattie attraverso la terapia genica di CRISPR-Cas.
Ma Ravi Sheth, uno studente laureato nel laboratorio di Wang, ha visto un potenziale non realizzato nella funzione di registrazione di CRISPR-Cas. ” … questa è una tecnologia molto potente, ma stavamo pensando come si può ricondurre questo enorme potenziale alle cellule viventi”, dice Sheth.
Per costruire il loro registratore microscopico, Sheth e altri membri del laboratorio Wang hanno modificato un pezzo di DNA chiamato plasmide, dandogli la possibilità di creare più copie di se stesso nella cellula batterica in risposta a un segnale esterno. Un plasmide di registrazione separato, che guida il registratore e segna il tempo, esprime i componenti del sistema CRISPR-Cas. In assenza di un segnale esterno, solo il plasmide di registrazione è attivo, e la cellula aggiunge copie di una sequenza di spaziatori al locus CRISPR nel suo genoma. Quando viene rilevato un segnale esterno dalla cellula, viene attivato anche l’altro plasmide, che porta invece all’inserimento delle sequenze. Il risultato è una miscela di sequenze di sfondo che registrano il tempo e le sequenze di segnali che cambiano a seconda dell’ambiente della cellula.
Lo studio attuale dimostra che il sistema può gestire almeno tre segnali simultanei e registrare per giorni.
“Ora stiamo progettando di esaminare vari marcatori che potrebbero essere alterati in seguito a cambiamenti negli stati naturali o di malattia, nel sistema gastrointestinale o altrove”, afferma il Dr. Wang.
I biologi hanno precedentemente utilizzato CRISPR per archiviare poesie, libri e immagini nel DNA, ma questa è la prima volta che CRISPR è stato utilizzato per registrare l’attività cellulare e il calendario di quegli eventi.
Fonte: Columbia University
