Ancora una volta CRISPR: trasformare Escherichia coli in un registratore?

Nuove applicazioni per la registrazione e l'analisi dei cambiamenti cellulari e ambientali su larga scala.

Ricercatori del Medical Center presso la Columbia University, grazie al sistema CRISPR-Cas, sono riusciti a creare il più piccolo registratore al mondo. Il registratore, incide all’interno del genoma batterico di E. coli tutte le interazioni con l’ambiente circostante. Proprio come una nastro magnetico, queste informazioni sono immagazzinate in una precisa successione temporale.

Il DNA è il principale mezzo di memorizzazione delle informazioni negli organismi viventi. Negli ultimi anni la ricerca si è domandata a più riprese se questa strategia di registrazione delle informazione potesse essere traslata e riprodotta in campi differenti della scienza, dal reinterpretare il DNA come supporto di archiviazione dati, al riuscire a memorizzare pixels e riprodurli come breve filmato. Tuttavia una sfida ampiamente aperta riguarda la corretta e precisa registrazione degli eventi biologici (es. espressione genica, fluttuazioni di metaboliti) che avvengono nel corso del tempo all’interno delle cellule. Un tale sistema di registrazione avrebbe applicazioni dal grosso potenziale, particolarmente nello studio di processi cellulari complessi e dinamici, o attraverso l’ingegnerizzazione di sistemi cellulari “sentinella” per tracciare il cambiamento di segnali ambientali.

Il sistema CRISPR-Cas esemplifica al meglio un sistema di memoria biologica naturale. Quando elementi genetici estranei come plasmidi o fagi invadono una cellula batterica provvista di questo sistema, brevi frammenti degli acidi nucleici esogeni sono frammentati e integrati in CRISPR arrays sotto forma di spacers. L’acquisizione di questi elementi avviene unidirezionalmente; nuovi distanziatori sono sempre inseriti al 5’ dei CRISPR arrays e possono essere utilizzati dal microrganismo alla stregua di un sistema immunitario batterico, per riconoscere e successivamente degradare DNA esogeno con identità di sequenza corrispondente. In tal modo il microrganismo “ricorda e memorizza” le sue precedenti interazioni con elementi potenzialmente dannosi. Negli ultimi anni si è assistito ad una cresciuta esponenziale dell’utilizzo del sistema CRISPR-Cas in strategie di gene editing, e sta rapidamente rivoluzionando il mondo scientifico, con le potenzialità per continuare a farlo per i prossimi decenni. Si prevede che questa tecnica consentirà anche di eliminare patologie diffuse come ad esempio l’anemia falciforme o la malattina di Huntington.

L’ultimo risultato, che coinvolge CRISPR-Cas, proviene da un team di ricercatori del Columbia University Medical Center (CUMC), ma questa volta non ha nulla a che fare con il gene editing. Da poco pubblicato su Science, lo studio, sfruttando le caratteristiche di CRISPR-Cas, ha tentato con successo di realizzare all’interno di E. coli il più piccolo registratore al mondo. Le interazioni con l’ambiente e gli eventi relativi all’intorno batterico sono incise all’interno del suo stesso genoma, mantenute stabili nel tempo, e registrate nell’esatta sequenza in cui esse avvengono, garantendo una panoramica temporale di ciò che metabolicamente e geneticamente accade.

L’esempio più pertinente è quello di un’audiocassetta, dove un segnale audio analogico può essere registrato su un supporto solido (nastro magnetico); in modo del tutto analogo, i ricercatori ispirati da questo sistema di immagazzinamento dati hanno sviluppato la controparte biologica: il sistema TRACE (acronimo per temporal recording in arrays by CRISPR expansion). In questo contesto un segnale biologico (genetico o metabolico) è inizialmente convertito in una variazione delle quantità di trigger DNA all’interno della cellula. La presenza del trigger DNA è poi registrata all’interno dell’array CRISPR in modo unidirezionale. Con quest’architettura, la presenza di un segnale di input (sempre genetico o metabolico) aumenta la frequenza di spacers (costituiti da trigger DNA) incorporati all’interno dell’array, confermando la registrazione di un segnale positivo. Tuttavia, anche in assenza di segnale l’array può acquisire frammenti di DNA sotto forma di reference spacers. Questi spacers fungono da marcatori che denotano il ritmo con il quale sono incorporati durante la sessione di registrazione. La strategia è stata inoltre ampliata fino a registrare simultaneamente e per un determinato periodo la disponibilità di tre differenti metaboliti (rame, trealosio, fucosio) all’interno di una popolazione cellulare.

Le possibilità del sistema TRACE sono limitate soltanto dall’inventiva dei gruppi di ricerca che inizieranno a lavorarci. “Tali batteri, inghiottiti da un paziente, potrebbero essere in grado di registrare i cambiamenti che sperimentano attraverso l’intero tratto digestivo, producendo una visione senza precedenti di fenomeni precedentemente inaccessibili” ha commentato Harris Wang a capo della ricerca. Sembra quindi che il miglior modo di sfruttare questa piattaforma possa essere quello di affiancarla a metodologie di diagnostica medica, dove potrà essere utilizzata per l’identificazione di particolari marcatori utili a riconoscere, ad esempio, situazioni patologiche lungo il tratto gastrointestinale oppure nella registrazione delle fluttuazioni di specifici metaboliti in sistemi aperti come il suolo o l’ambiente marino.

Federico De Marco

PER APPROFONDIMENTI:

Multiplex recording of cellular events over time on CRISPR biological tape. Sheth RU, Yim SS, Wu FL, Wang HH. Science. 2017

 

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