Che ci sia luce e il processo si fermi

L'antibiotico tetraciclina (Tc) e il suo derivato anidrotetraciclina (aTC) sono spesso utilizzati nella biotecnologia e nella biologia sintetica. Entrambe le molecole influenzano l'attività dei geni. La Tc in genere inibisce il macchinario cellulare per la produzione di proteine. L'aTc viene utilizzata per accendere geni specifici. Ciò avviene indirettamente: l'aTc si lega a una molecola collegata al gene corrispondente e ne impedisce la lettura da parte del macchinario cellulare per la produzione di proteine. Questo legame stacca il complesso dal gene e la produzione della proteina che codifica può iniziare.

Tuttavia, l'uso di Tc e aTc come regolatori negli esperimenti sulle colture cellulari presenta anche degli svantaggi: Le due molecole rimangono nella coltura e non possono essere rimosse. Ciò significa che i processi che regolano non possono più essere fermati.

Un team di ricercatori guidato da Mustafa Khammash del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea ha ora scoperto un nuovo trucco: Come molte altre sostanze chimiche, Tc e aTc sono naturalmente sensibili alla luce. Quando la luce UVA li colpisce, perdono la loro capacità di inibire l'attività genica. I ricercatori del Fare ricerca all'ETH stanno ora sfruttando questa caratteristica per trasformare il Tc e l'aTc in regolatori della trascrizione e della crescita controllabili dinamicamente. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica pagina esternaComunicazioni di Nature.

Regolamento più semplice

"L'uso di molecole naturalmente sensibili alla luce come l'atc e il tc ci semplifica notevolmente la vita", spiega Armin Baumschlager. ? un ricercatore post-dottorando presso Khammash e primo autore dello studio corrispondente. Non è più necessario inserire nelle cellule utilizzate geni aggiuntivi che mediano la sensibilità alla luce. Ciò significa che anche i gruppi di ricerca non specializzati possono ora lavorare con le reti optogenetiche.

Il controllo dell'attività genica con la luce è noto in biologia come optogenetica. In questo modo è possibile controllare cellule come E. coli-batteri a svolgere una reazione specifica, come la produzione di una proteina, in risposta agli impulsi luminosi. Oltre a sostanze come il Tc o l'aTc, a questo scopo possono essere utilizzati anche enzimi sensibili alla luce. In passato, gli scienziati hanno creato complesse reti genetiche in cui hanno incorporato i geni di questi enzimi. Tuttavia, anche questi hanno uno svantaggio: rimangono attivi solo se esposti permanentemente alla luce.

L'uso di sostanze sensibili alla luce rende possibile il controllo della trascrizione e della crescita. e Lo spegnimento di una rete. Si accende, ad esempio, aggiungendo una certa quantità di ATC alla coltura cellulare. Se la coltura viene illuminata con luce UVA dopo un certo tempo, il processo può essere interrotto rapidamente e completamente. "L'inattivazione dell'ATC con la luce è paragonabile alla rimozione della sostanza dal sistema", afferma Baumschlager.

Se il processo deve essere riavviato, l'atc viene aggiunto nuovamente alla coltura cellulare. "Questi cicli possono essere ripetuti più volte senza danneggiare le cellule", spiega il ricercatore. "In questo studio abbiamo dimostrato che possiamo regolare molto bene l'aspetto temporale dell'attivazione e dell'inattivazione".

Nuovi schemi di controllo

Sfruttare la sensibilità alla luce delle molecole per controllare i processi biologici permette ai ricercatori di sviluppare schemi di controllo completamente nuovi per la biotecnologia. I ricercatori dell'ETH sono attualmente in procinto di applicarli su scala più ampia. Finora hanno testato il sistema solo in provetta. Ora stanno pianificando esperimenti con bioreattori del volume di alcuni litri. Anche altre molecole sensibili alla luce, come altri antibiotici, potrebbero essere utilizzate come regolatori.

Il metodo potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per produrre alcune proteine utili dal punto di vista terapeutico, come gli anticorpi, o vitamine preziose, ottimizzandone la produzione attraverso l'aggiunta o l'inattivazione di ATC. "Il nostro nuovo processo dovrebbe essere interessante per l'industria farmaceutica, poiché è molto più facile da gestire e sviluppare", afferma Baumschlager.