La cellule che ‘ricordano’ in analogico (grazie a CRISPR)

SCOPERTE – Ogni cellula dell’organismo è costantemente coinvolta in continue interazioni biologiche con l’ambiente e altri elementi come i virus, ed è quindi in qualche modo testimone di quello che succede, per esempio durante il decorso di una malattia. E se fosse possibile ‘interrogare’ quest’osservatore privilegiato?
Le eventuali informazioni in suo possesso faciliterebbero molto il lavoro di ricostruzione e analisi di un fenomeno biologico.

Per rispondere a questa domanda, un gruppo di ricercatori del MIT è riuscito per la prima volta a riprogrammare cellule animali in modo che possano registrare e stoccare queste informazioni, lasciando sul DNA un’impronta degli eventi biologici in cui sono state coinvolte. È la rivista Science a pubblicare i risultati dello studio che dimostra come il DNA possa essere opportunamente manipolato per mettere a punto vere e proprie memorie analogiche.

Non si tratta però di qualcosa simile a una versione biologica di un hard-disk , ma di una nuova applicazione della tecnica CRISPR che consente di custodire nella cellula dati sull’intensità e la durata di un evento come un’infezione.

CRISPR/Cas9: taglia, incolla e memorizza

La CRISPR/Cas9 è l’innovativa tecnica di editing genetico ormai mota per essere versatile, economica, e per aver generato speranze e polemiche (tra cui l’assai discusso editing del genoma umano).

In breve: un filamento di RNA-guida trasporta un vettore ricavato da uno streptococco, il Cas9, in grado di intercettare e letteralmente tagliare il DNA e modificarlo ad hoc. Tra le tante varianti della tecnica proposte negli ultimi anni, di recente la CRISPR è stata ripensata proprio come un registratore di eventi. Finora però, studi di questo tipo si sono limitati a capire come registrare gli attacchi virali in un gruppo di batteri, sfruttando gli enzimi presenti in una forma semplificata dell’E. Coli.

Un’altra possibilità, inoltre, è quella di programmare circuiti logici con l’approccio delle macchine a stati finiti per memorizzare alcuni eventi sperimentati dalla cellula.

Il lavoro firmato da Timothy Lu, leader del Synthetic Biology Group del MIT’s Research Laboratory of Electronics e tra gli autori degli studi precedenti, rappresenta in questo scenario una grande novità. I biologi-ingegneri del MIT sono riusciti, infatti, a riprogettare le cellule in modo che riescano a ricordare eventi passati. Questo grazie alla CRISPR ma non limitandosi ai batteri. Le memorie biologiche possono essere stipate infatti anche in cellule umane ed essere recuperate in un secondo momento grazie al sequenziamento.

Il dispositivo messo a punto al MIT che rende possibile tutto ciò, l’mSCRIBE (Mammalian Syntethic Cellular Recorder Integrating Biological Events), è costituito da un nuovo tipo di RNA-guida, detta di self-targeting, dal momento che riconosce lo stesso DNA che lo guida; la guida taglia il DNA con la tecnica CRISPR/Cas9 e genera così una mutazione permanente nella sequenza, che può a sua volta generare nuovi filamenti di RNA guida. Questo processo va avanti finché il vettore Cas9 e l’RNA-guida sono attivi e accumulano mutazioni.
È proprio questo accumulo che consente di mappare e leggere il livello di esposizione e la durata di uno stimolo esterno, come testato con il segnale proteico TNF-α, il fattore di necrosi tumorale che provoca un processo di infiammazione. La conferma che il meccanismo di registrazione analogica funzioni è arrivata osservando che l’aumento delle mutazioni nel DNA tagliato dall’ RNA-guida è proporzionale all’aumentare dell’esposizione al TNF-α. La registrazione delle memorie di un’infiammazione è stata per il momento testata su una popolazione di topi.

Vecchi difetti e nuovi pregi

Il sistema però non è perfetto, nella fase di taglio c’è la possibilità che si registrino mutazioni non funzionali o superflue. È noto già da tempo del resto che CRISPR/Cas9 paga il prezzo della semplicità ed economicità con qualche difetto, come il limite dovuto all’ingombro eccessivo dell’enzima Cas9 (le “forbici” adette alla mutazione del DNA) o come l’evidenza che finora sembra funzionare senza problemi solo sui batteri. Nel caso dell’RNA self-targeting, inoltre, il filamento è stato raddoppiato rispetto a un CRISP tradizionale, che non avrebbe funzionato altrimenti. Nonostante i problemi che rendono questa scoperta solo l’ennesimo primo passo in attesa di una diffusione pratica, il gruppo interdisciplinare di Lu ha però intanto dimostrato che con questo sistema le cellule possono essere ingegnerizzate per registrare anche più di un singolo evento.

Questo dato rende il lavoro ancora più interessante, perché non solo abbiamo ragione di aspettarci miglioramenti della tecnica, ma siamo in grado anche di prevedere altre applicazioni nel mondo della biologia sintetica. Come spiegato dagli stessi ricercatori, infatti, oltre a monitorare e registrare infiammazioni e infezioni, questa novità potrà essere d’aiuto per conoscere meglio diverse dinamiche cellulari, o magari anche seguire l’evoluzione della differenziazione cellulare e la crescita tessutale e facilitare quindi la messa a punto di nuove generazioni di biomateriali.

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