Batteri come registratori grazie al sistema di manipolazione genetica CRISPR-Cas

Confronto tra nastro magnetico e batteri come registratori (Immagine cortesia Wang Lab/Columbia University Medical Center)
Confronto tra nastro magnetico e batteri come registratori (Immagine cortesia Wang Lab/Columbia University Medical Center)

Un articolo pubblicato sulla rivista “Science” descrive lo sviluppo di un sistema che utilizza il sistema di manipolazione genetica CRISPR-Cas per memorizzare informazioni in cellule viventi trasformandole in un equivalente biologico di un nastro magnetico. Un team di ricercatori del Columbia University Medical Center ha modificato un batterio della famiglia Escherichia coli trasformandolo in un potenziale strumento diagnostico o di monitoraggio ambientale grazie alla sua capacità di registrare dati.

L’acronimo CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) si riferisce a segmenti di DNA procariotico che contengono brevi sequenze ripetute. L’espressione CRISPR/Cas si riferisce a un sistema immunitario procariotico che conferisce resistenza a elementi genetici estranei. Sottotipi di questo sistema basati su enzimi che si sono evoluti in diverse specie di batteri sono già in fase di sperimentazione a scopi medici ma questa nuova ricerca ha tentato di usarli in un altro modo.

La capacità dei sistemi CRISPR-Cas di scrivere informazioni nel DNA di una cellula offre la possibilità di usarla come una memoria, paragonata dai ricercatori a un equivalente biologico di un nastro magnetico. Alcuni esperimenti in questo senso sono già stati condotti in passato ma stavolta lo scopo non era registrare libri bensì cercare un modo per usare le cellule per registrare attività biologiche.

Questo obiettivo è stato raggiunto modificando un plasmide, un frammento di DNA presente nelle cellule ma separato da quello dei cromosomi che si replica in maniera indipendente. Dopo le modifiche, il plasmide era in grado di creare copie di se stesso in una cellula rispondendo a segnali esterni. Un altro plasmide gestisce il registratore e marca il tempo esprimendo componenti del sistema CRISPR-Cas.

Se non ci sono segnali esterni, solo il plasmide che gestisce il registratore è attivo e aggiunge copie di un marcatore dello spazio. In caso di segnali esterni, viene attivato anche l’altro plasmide e ciò porta all’inserimento del suo marcatore. Il risultato è una sequenza che registra i segnali esterni nel tempo.

Nell’esperimento compiuto, il sistema basato su CRISPR-Cas può gestire almeno tre segnali simultanei e registrarli per giorni. Un esempio di applicazione potrebbe vedere un paziente ingerire batteri modificati che registrano i cambiamenti rilevati lungo l’intero tratto digerente.

Quest’applicazione del sistema CRISPR-Cas è sperimentale ma in futuro potrà sfruttare vari marcatori che potranno essere alterati a seconda di cambiamenti di stato nel corpo umano. Ciò ne permetterà l’uso a scopo diagnostico per raggiungere parti del corpo altrimenti difficili se non impossibili da esaminare.

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