DNA a zavorra

Cosa si fa se un documento di grandi dimensioni o un'immagine ad alta risoluzione non possono essere inviati per e-mail? - Lo si comprime in una dimensione gestibile utilizzando un software adeguato. "Instead of the information 'white-white-white-white-white-white-...' for each individual pixel of a white line, only the message '1000 times white' is transmitted," explains Kobi Benenson, Head of the Synthetic Biology Group at the ETH Department of Biosystems in Basel. Una volta raggiunta dal destinatario, l'informazione può essere riportata alle sue dimensioni originali, cioè decompressa.

Capacità di trasporto limitata

Questo processo per i dati digitali ha ispirato Benenson e il suo collaboratore Nicolas Lapique a sviluppare una soluzione innovativa per i sistemi biologici: hanno ideato un metodo che consente di zippare il materiale genetico DNA: Viene compresso per essere trasportato nelle cellule e assemblato in informazioni genetiche completamente funzionali all'interno delle cellule.

Una soluzione di questo tipo potrebbe essere utile per i biologi, soprattutto nel campo della biologia sintetica o della biotecnologia. Infatti, essi raggiungono i loro limiti quando vogliono introdurre grandi quantità di informazioni sotto forma di DNA nelle cellule. Il problema è che i veicoli di trasporto attualmente utilizzati a questo scopo possono essere caricati solo con una quantità limitata di DNA.

Rimozione delle ripetizioni dal DNA

Il principio alla base del nuovo tipo di compattazione del DNA è lo stesso della compressione di un file digitale: "Gli elementi che ricorrono più volte nella sequenza di DNA da inserire vengono trasferiti una sola volta", spiega Benenson.

Questo vale, ad esempio, per i promotori, ossia le sezioni di DNA che regolano se e come viene letto il gene associato. Se il DNA che deve essere trasportato in una cellula contiene quattro geni diversi che hanno tutti lo stesso promotore, il promotore viene consegnato una sola volta.

Strettamente impacchettato e riassemblato a destinazione

Ma l'eliminazione delle ridondanze non è tutto. I ricercatori dell'ETH hanno anche assemblato il DNA per il trasporto nella cellula secondo regole speciali. Benenson parla di "codifica compressa".

Ai quattro geni del nostro esempio viene innanzitutto assegnato un promotore comune. Dietro a questo, i ricercatori allineano le quattro sequenze geniche codificanti in modo compatto sul doppio filamento di DNA. A questo si aggiungono le singole sequenze di stop e, cosa molto importante, vari siti di legame per una ricombinasi. Questo enzima può aprire, attorcigliare e riassemblare i filamenti di DNA.

"La ricombinasi assume il ruolo di software di decompressione", spiega Benenson. Assicura che i componenti del DNA compresso siano assemblati nella cellula in modo pienamente funzionale. Per i quattro geni di esempio, ciò significa che ognuno di essi riceve il proprio promotore quando viene riassemblato.

I programmi genetici riconoscono le cellule tumorali

Benenson e Lapique sono riusciti a dimostrare che il nuovo metodo può essere utilizzato per introdurre grandi "programmi genetici" nelle cellule dei mammiferi. "Questi programmi sono creati dall'uomo e svolgono compiti specifici nelle cellule", spiega Benenson. In altre parole, comprendono un intero arsenale di componenti biologici come proteine e acidi ribonucleici (RNA), che lavorano nella cellula in modo coordinato verso un obiettivo comune definito dagli scienziati. In biotecnologia, alcune sostanze complesse, come i principi attivi dei farmaci, potrebbero essere prodotte in questo modo.

Tuttavia, il gruppo di Benenson sta lavorando a programmi genetici che in futuro saranno in grado di gestire compiti molto più complicati. Ad esempio, il cosiddetto "cancer targeting". Ciò significa che il programma è in grado di riconoscere determinate sostanze, i cosiddetti marcatori, in una cellula. In base alla loro concentrazione, decide se la cellula è sana o se è una cellula tumorale, che il programma può uccidere da solo. Si tratta di una sorta di soluzione all-in-one per la lotta ai tumori, che va dall'esame e dalla diagnosi alla terapia. I ricercatori sono riusciti a dimostrare che l'approccio funziona nelle colture cellulari e ora vogliono testarlo anche negli organismi viventi.

Diagnosi più precise grazie a un nuovo metodo

Con i veicoli di trasporto del DNA attualmente disponibili, la precisione nel decidere se una cellula è sana o cancerosa non è ancora abbastanza elevata. Il motivo è che non è possibile utilizzare un numero sufficiente di marcatori diversi in una sola volta, poiché è possibile trasmettere solo una quantità limitata di DNA.

"Una combinazione di quattro o sei marcatori sarebbe ottimale", spiega Benenson. Tuttavia, per essere in grado di rilevarli tutti, è necessario anche un numero corrispondente di sensori per riconoscere i marcatori. Più sensori - che sono proteine, RNA e componenti del DNA - significa anche più DNA, che deve entrare nella cellula come suo progetto.

I ricercatori sperano ora di aggiungere altri sensori al programma utilizzando il nuovo processo di compressione e decompressione del DNA, aumentando così il tasso di successo.

Prendere in prestito dalla tecnologia dell'informazione

Non è un caso che i programmi genetici che Benenson e Lapique stanno sviluppando siano strutturati logicamente e funzionino in modo simile ai programmi informatici. "Per le nostre ricerche ci ispiriamo spesso all'informatica e alla tecnologia dei computer", spiega Benenson. È chiaro che gli piace pensare "fuori dagli schemi". Nel caso del nuovo metodo di trasporto del DNA, si potrebbe dire: per fortuna ci sono limiti di dimensione per gli allegati alle e-mail.