La nuova tecnica di scrittura del DNA, che i ricercatori chiamano HiSCRIBE, è molto più efficiente dei sistemi precedentemente sviluppati per modificare il DNA nei batteri, che ha avuto un tasso di successo di solo circa 1 su 10, 000 cellule per generazione. In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che questo approccio potrebbe essere utilizzato per conservare la memoria delle interazioni cellulari o della posizione spaziale.
Questa tecnica potrebbe anche consentire di modificare selettivamente, attivare, o silenziare i geni in alcune specie di batteri che vivono in una comunità naturale come il microbioma umano, dicono i ricercatori.
Con questo nuovo sistema di scrittura del DNA, possiamo modificare in modo preciso ed efficiente i genomi batterici senza la necessità di alcuna forma di selezione, all'interno di ecosistemi batterici complessi. Questo ci consente di eseguire l'editing del genoma e la scrittura del DNA al di fuori delle impostazioni di laboratorio, se ingegnerizzare i batteri, ottimizzare i tratti di interesse in situ, o studiare le dinamiche e le interazioni evolutive nelle popolazioni batteriche".
Fahim Farzadfard, ex postdoc del MIT e autore principale dell'articolo
Timoteo Lu, un professore associato del MIT di ingegneria elettrica e informatica e di ingegneria biologica, è l'autore senior dello studio, che appare oggi in Sistemi cellulari . Nava Gharaei, un ex studente laureato all'Università di Harvard, e Robert Citorik, un ex studente laureato del MIT, sono anche autori dello studio.
Per molti anni, Il laboratorio di Lu ha lavorato sui modi per utilizzare il DNA per memorizzare informazioni come la memoria di eventi cellulari. Nel 2014, lui e Farzadfard hanno sviluppato un modo per impiegare i batteri come "registratori genomici, "ingegneria E. coli per memorizzare ricordi a lungo termine di eventi come un'esposizione chimica.
Per ottenere ciò, i ricercatori hanno ingegnerizzato le cellule per produrre un enzima della trascrittasi inversa chiamato retron, che produce un DNA a filamento singolo (ssDNA) quando espresso nelle cellule, e un enzima ricombinasi, che può inserire ("scrivere") una sequenza specifica di DNA a singolo filamento in un sito mirato nel genoma. Questo DNA viene prodotto solo quando attivato dalla presenza di una molecola predeterminata o di un altro tipo di input, come la luce. Dopo che il DNA è stato prodotto, la ricombinasi inserisce il DNA in un sito preprogrammato, che può essere ovunque nel genoma.
quella tecnica, che i ricercatori hanno chiamato SCRIBE, aveva un'efficienza di scrittura relativamente bassa. In ogni generazione, su 10, 000 E. coli cellule, solo uno acquisirebbe il nuovo DNA che i ricercatori hanno cercato di incorporare nelle cellule. Ciò è in parte dovuto al fatto che E. coli hanno meccanismi cellulari che impediscono l'accumulo e l'integrazione del DNA a singolo filamento nei loro genomi.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno cercato di aumentare l'efficienza del processo eliminando alcune delle E. coli' s meccanismi di difesa contro il DNA a singolo filamento. Primo, hanno disabilitato enzimi chiamati esonucleasi, che scompongono il DNA a singolo filamento. Hanno anche eliminato i geni coinvolti in un sistema chiamato riparazione del disadattamento, che normalmente impedisce l'integrazione del DNA a singolo filamento nel genoma.
Con quelle modifiche, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un'incorporazione quasi universale dei cambiamenti genetici che hanno cercato di introdurre, creando un modo impareggiabile ed efficiente per modificare i genomi batterici senza la necessità di selezione.
"A causa di quel miglioramento, siamo stati in grado di fare alcune applicazioni che non eravamo in grado di fare con la precedente generazione di SCRIBE o con altre tecnologie di scrittura del DNA, "Dice Farzadfard.
Nel loro studio del 2014, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare SCRIBE per registrare la durata e l'intensità dell'esposizione a una molecola specifica. Con il loro nuovo sistema HiSCRIBE, possono tracciare questo tipo di esposizioni e altri tipi di eventi, come le interazioni tra le cellule.
Come un esempio, i ricercatori hanno dimostrato di poter seguire un processo chiamato coniugazione batterica, durante i quali i batteri si scambiano pezzi di DNA. Integrando un "codice a barre" del DNA nel genoma di ogni cellula, che possono poi essere scambiati con altre cellule, i ricercatori possono determinare quali cellule hanno interagito tra loro sequenziando il loro DNA per vedere quali codici a barre portano.
Questo tipo di mappatura potrebbe aiutare i ricercatori a studiare come i batteri comunicano tra loro all'interno di aggregati come i biofilm. Se un approccio simile potesse essere implementato nelle cellule di mammifero, potrebbe un giorno essere usato per mappare le interazioni tra altri tipi di cellule come i neuroni, dice Farzadfard. I virus in grado di attraversare le sinapsi neurali potrebbero essere programmati per trasportare codici a barre del DNA che i ricercatori potrebbero utilizzare per tracciare le connessioni tra i neuroni, offrendo un nuovo modo per aiutare a mappare il connettoma del cervello.
"Stiamo usando il DNA come meccanismo per registrare informazioni spaziali sull'interazione delle cellule batteriche, e forse in futuro, neuroni che sono stati etichettati, "Dice Farzadfard.
I ricercatori hanno anche dimostrato di poter utilizzare questa tecnica per modificare in modo specifico il genoma di una specie di batteri all'interno di una comunità di molte specie. In questo caso, hanno introdotto il gene per un enzima che scompone il galattosio in E. coli cellule che crescono in coltura con diverse altre specie di batteri.
Questo tipo di editing selettivo per specie potrebbe offrire un nuovo modo per rendere i batteri resistenti agli antibiotici più suscettibili ai farmaci esistenti silenziando i loro geni di resistenza, dicono i ricercatori. Però, tali trattamenti richiederebbero probabilmente molti anni in più di ricerca per svilupparsi, dicono.
I ricercatori hanno anche dimostrato di poter utilizzare questa tecnica per progettare un ecosistema sintetico fatto di batteri e batteriofagi in grado di riscrivere continuamente determinati segmenti del loro genoma ed evolversi autonomamente con una velocità superiore a quella che sarebbe possibile con l'evoluzione naturale. In questo caso, sono stati in grado di ottimizzare la capacità delle cellule di consumare il consumo di lattosio.
"Questo approccio potrebbe essere utilizzato per l'ingegneria evolutiva dei tratti cellulari, o negli studi sperimentali sull'evoluzione permettendoti di riascoltare il nastro dell'evoluzione più e più volte, "Dice Farzadfard.
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