Può sembrare difficile da credere, ma ognuno di noi ha avuto inizio come una singola cellula che è proliferata nei trilioni di cellule che compongono il nostro corpo. Sebbene ciascuna delle nostre cellule abbia la stessa identica informazione genetica, ognuna svolge anche una funzione specializzata: i neuroni governano i nostri pensieri e comportamenti, ad esempio, mentre le cellule immunitarie imparano a riconoscere e combattere le malattie, le cellule della pelle ci proteggono dal mondo esterno, i muscoli le cellule consentono il movimento e così via.
Tutti questi tipi cellulari hanno un’origine comune come le cosiddette cellule staminali pluripotenti. Piene di possibilità, le cellule staminali sono come una tabula rasa che può diventare qualsiasi tipo di cellula. Per analogia, pensa a come un bambino diventa adulto e sceglie una carriera e un percorso di vita. Il modo in cui le cellule staminali scelgono la propria carriera dipende da complicate catene di reazioni all’interno del genoma di una cellula (il suo DNA), chiamate circuiti genetici.
Le cellule contenenti il circuito sintetico MultiFate possono esistere in 7 diversi stati cellulari, o “destini”, ognuno dei quali fa brillare la cellula di un colore diverso (rosso, verde, blu, giallo, magenta, ciano o bianco). Qui vediamo molte cellule, tutte geneticamente identiche e che crescono nello stesso ambiente, ma esistono in diversi stati MultiFate. MultiFate assicura che le cellule ricordino il loro destino mentre crescono e si dividono, facendo sì che tutte le cellule in una data colonia mantengano lo stesso colore. Credito immagine: Ronghui Zhu, laboratorio Elowitz, Caltech
Ora, i ricercatori del laboratorio di Michael Elowitz del Caltech, Professore di biologia e bioingegneria e ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute, hanno sviluppato un circuito genetico sintetico che dimostra come le cellule scelgono il loro destino.
La ricerca è descritta in un articolo apparso sulla rivista Science il 20 gennaio.
Usando questo circuito, che i ricercatori hanno chiamato MultiFate, i ricercatori hanno mostrato come un insieme relativamente piccolo di componenti e interazioni proteiche sia sufficiente per stabilire e controllare un numero maggiore di stati cellulari attraverso una proprietà chiamata “multistabilità“. MultiFate ora consente ai ricercatori di progettare una singola cellula vivente che può trasformarsi in diversi stati, ciascuno stabile da solo, ma in grado di svolgere una funzione distinta, analoga a ciò che accade nel nostro corpo.
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Guidati dallo studente laureato Ronghui Zhu, i ricercatori hanno progettato un circuito artificiale di geni che potrebbero funzionare all’interno delle cellule cresciute in laboratorio senza interferire con i normali processi cellulari. Il circuito MultiFate è costituito da tre geni, ciascuno codificante per un corrispondente fattore di trascrizione (una proteina che attiva l’espressione dei geni) etichettato con una proteina di colore distinto: rossa, verde o blu. Ognuna di queste tre proteine si accende legandosi al proprio DNA. I tre tipi di proteine possono anche attaccarsi l’uno all’altro per bloccarsi a vicenda.
Come previsto dal modello matematico del team, questo tipo di circuito può consentire a una cellula di esistere in ben sette stati distinti. Come i pixel sullo schermo di un computer, ciascuno di questi stati esprime una diversa combinazione delle proteine rosse, verdi e blu, facendo brillare le cellule in una delle sette diverse tonalità: rosso, verde, blu, ciano, bianco, magenta o giallo. Una volta che si trova in uno di questi stati, la cellula vi rimane a meno che non venga deliberatamente perturbata dai ricercatori. Poiché le cellule sono bloccate nei loro destini, una cellula trasmette il suo destino (colore) alle sue cellule figlie mentre cresce e si divide.
Inoltre, a differenza dei circuiti cellulari naturali, che possono essere difficili da controllare, i ricercatori hanno progettato MultiFate in modo che potessero indurre la cellula a passare da uno stato all’altro utilizzando determinati farmaci.
“Questo lavoro mostra come la progettazione e la costruzione di circuiti sintetici da zero può fornire informazioni sui fenomeni biologici fondamentali. MultiFate si ispira alle proprietà dei circuiti naturali di controllo del destino cellulare, ma è progettato dal basso verso l’alto. Non solo aiuta a spiegare come le cellule possono esistere in così tanti destini, ma potrebbe anche fornire una base per estendere le terapie cellulari per sfruttare più tipi di cellule per svolgere funzioni terapeutiche più complesse che nessun singolo tipo di cellula potrebbe fornire“, afferma Elowitz.
Fonte: Caltech
