Controllare l'attività dei geni con la luce
I ricercatori guidati da Mustafa Khammash hanno sviluppato un metodo innovativo per controllare il trasferimento del DNA in RNA in singole cellule utilizzando la luce blu. La tecnologia potrebbe essere utilizzata per l'ingegneria dei tessuti e la ricerca sulle cellule staminali.
La trascrizione è un processo biologico fondamentale in cui l'informazione di un gene viene trasferita in una copia di RNA. In questo processo sono coinvolte delle proteine, tra cui i cosiddetti fattori di trascrizione e una macchina molecolare chiamata RNA polimerasi.
Per avviare la trascrizione, i fattori di trascrizione devono prima legarsi a un sito specifico del DNA. Questo innesca vari processi che portano all'aggancio dell'RNA polimerasi al materiale genetico. Questo complesso proteico dipana quindi la doppia elica per leggere la sequenza dei mattoni di un gene e trasferirla in una molecola di RNA. Il cosiddetto RNA messaggero è una copia trasportabile del gene che serve come modello per la biosintesi delle proteine.
Alle prese con la variabilità
Nonostante la forte regolazione da parte di molti attori molecolari, la trascrizione è caratterizzata da una significativa variabilità tra le cellule. Una delle ragioni è che la trascrizione si basa sull'incontro casuale di molecole, come i fattori di trascrizione e alcune sequenze di DNA. La trascrizione di un gene procede quindi in modo diverso in ogni cellula: in alcune si avvia più rapidamente, in altre non si avvia affatto. Comprendere meglio le cause di questa variabilità e poter controllare meglio la trascrizione è una preoccupazione importante per i ricercatori.
Il gruppo di Mustafa Khammash, professore di teoria del controllo e biologia dei sistemi presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria di Basilea, ha ora trovato un metodo per avviare la trascrizione in modo controllato e regolare la quantità di molecole di RNA prodotte: una piattaforma optogenetica, che gli scienziati dell'ETH hanno recentemente pubblicato sulla rivista "Nature Communications".pagina esternaCellula MolecolareSono stati introdotti dei "punti". In questo modo è possibile ridurre la variabilità tra le cellule e la piattaforma fornisce nuove conoscenze sulle dinamiche di trascrizione.
Retroazione e regolazione individuale
Con questa piattaforma, i ricercatori possono illuminare individualmente singole cellule di lievito con luce blu di diversa durata e intensità. Introducendo geni estranei, queste cellule sono state geneticamente modificate in modo da reagire alla luce di questo colore attivando un fattore di trascrizione. Questo porta alla trascrizione di un gene specifico.
Le proteine fluorescenti si attaccano ai trascritti di questo gene, gli RNA messaggeri. Questo crea punti fluorescenti luminosi quando la trascrizione è attiva. I ricercatori possono quindi immaginare e analizzare questi punti utilizzando la microscopia a fluorescenza.
Gli scienziati hanno accoppiato questo sistema con un computer. Il computer analizza quante molecole di RNA vengono trascritte in un dato momento e decide la quantità di luce che ogni cellula dovrà ricevere successivamente per regolare la sua trascrizione secondo le specifiche.
Nuove intuizioni sulle dinamiche di trascrizione
"Grazie a questa disposizione, siamo riusciti a dimostrare che l'attivazione e la disattivazione della trascrizione avvengono molto rapidamente", spiega l'ETH Khammash. Il suo team è stato anche in grado di stabilire che la trascrizione in una cellula procede a raffiche, la cui durata e frequenza è regolata dall'attività dei fattori di trascrizione. Grazie al meccanismo di feedback, i ricercatori sono riusciti anche a ridurre le differenze nei tassi di trascrizione tra cellule diverse.
Come test (e per celebrare il decimo anniversario del Dipartimento biosistemi, l'anno scorso), i ricercatori hanno proiettato il numero 10 su cellule di lievito utilizzando la luce blu. Nelle cellule illuminate è stata quindi attivata la trascrizione. Ciò ha portato alla formazione di punti fluorescenti luminosi nelle posizioni desiderate.
I segnali dinamici riducono la variabilità
Tuttavia, il metodo di controllo descritto ha anche dei limiti: può essere utilizzato solo al microscopio, ma non in provetta o in bioreattori. Tuttavia, questo sarebbe necessario per controllare i processi biotecnologici.
Per superare questa limitazione, i ricercatori hanno studiato modi per controllare le cellule con segnali dinamici complessi. Confrontando diversi tipi di segnalazione, i ricercatori hanno scoperto in uno studio pubblicato sulla rivista "pagina esternaComunicazioni di Nature" ha scoperto che le singole cellule reagiscono ai segnali pulsanti con maggiore precisione rispetto ai segnali costanti. Ciò consente ora di controllare meglio grandi popolazioni di cellule in modo semplice. Inoltre, i risultati indicano una possibile strategia per regolare la variabilità delle popolazioni cellulari naturali.
Khammash è soddisfatto del successo dei progetti. Inizialmente, lui e i suoi colleghi hanno fatto ricerche per pura curiosità e non avevano in mente applicazioni concrete. "Volevamo soprattutto scoprire se fosse possibile incanalare la casualità della trascrizione in canali ordinati", spiega Khammash. "Questa era una sfida tecnica importante".
Tuttavia, il ricercatore ritiene che la sua piattaforma possa diventare una miniera d'oro. Secondo il ricercatore, si possono immaginare diverse applicazioni, in particolare nelle ricerche in cui il controllo della trascrizione è importante. Ad esempio, si potrebbero sviluppare molto rapidamente prototipi di reti genetiche, poiché la comunicazione tra cellule potrebbe essere controllata dall'esterno e non dipenderebbe più dalle molecole di segnalazione. "La piattaforma può anche diventare uno strumento importante per l'ingegneria dei tessuti e la ricerca sulle cellule staminali". I ricercatori si occuperanno ora delle applicazioni della loro piattaforma nei prossimi anni e hanno già ricevuto un finanziamento dal programma aperto FET dell'UE.
Letteratura di riferimento
Rullan M, Benzinger D, Schmidt GW, Milias-Argeitis A, Khammash M. An Optogenetic Platform for Real-Time, Single-Cell Interrogation of Stochastic Transcriptional Regulation. Molecular cell (2018), 70(4), pp.745-756. pagina esternadoi: 10.1016/j.molcel.2018.04.012
Benzinger D, Khammash M. Gli input pulsatili consentono di ottenere un'attenuazione sintonizzabile della variabilità dell'espressione genica e una regolazione multi-gene graduata. Nature communications (2018), 9(1), p.3521. pagina esternadoi:10.1038/s41467-018-05882-2