Presto il DNA potrebbe diventare un hard-disk!

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Presto il DNA potrebbe diventare un hard-disk!
Presto il DNA potrebbe diventare un hard-disk!

Gli scienziati della Harvard Medical School sono riusciti ad utilizzare il DNA procariotico come “hard disk” biologico, memorizzando e poi riproducendo un piccolo filmato. La metodica, che si avvale del sistema CRISPR-Cas, potrebbe portare allo sviluppo di tecnologie capaci di registrare in tempo reale cosa accade all’interno della cellula, con importantissimi risvolti tecnologici e medici.

Ultimamente si fa un gran parlare del sistema CRISPR-Cas, a volti con toni più sensazionalistici, altre più pacati. Tale tecnologia sembrerebbe in grado, in effetti, di rivoluzionare il nostro approccio terapeutico alle malattie oncologiche, ma anche la diagnostica e la biotecnologia in generale, coprendo un campo di potenziale applicazione davvero enorme, “anche il cinema”. Logicamente non stiamo parlando di un nuovo modo per creare film a basso costo, ma di un sistema eccezionale di memorizzazione dati che vedrebbe il DNA come un hard disk scrivibile in tempo reale, cioè su organismo vivente (diversamente da quanto era stato fatto finora) e che permetta di traferire queste informazioni ai discendenti. Sebbene non nuovissima, la tecnica in oggetto si propone di spingere al limite attuale il sistema, fornendo anche alcune strategie per ovviare a questi limiti.

Richiami al sistema CRISPR-Cas

I procarioti, come E.Coli (su cui è stato condotto l’esperimento), presentano, nel loro DNA, dei loci chiamati CRISPR, che vengono utilizzati come un sistema immunitario. Quando è presente del DNA estraneo (e.g. batteriofagico), le Cas (che sono delle integrasi, cioè enzimi che “tagliano e cuciono” le sequenze nucleotidiche in punti specifici) si occupano di spezzare questa molecola non-self e di inserirla, frammentata, in una zona del locus chiamata repeat-spaced array, evitando di fatto mutazioni o integrazioni totali di materiale genetico che potrebbe compromettere la vita del batterio.

Locus CRISPR semplificato

Il bello è che questo meccanismo può essere dirottato in maniera molto precisa, pilotando sia le stringhe di nucleotidi da inserire sia i punti in cui verranno integrate, a patto di utilizzare delle sequenze sintetiche di oligonucleotidi.

L’esperimento

I ricercatori hanno condotto due esperimenti differenti, uno che permettesse di archiviare un’immagine statica in bianco e nero (mano) ed uno che consentisse di memorizzare una GIF (“Locomozione umana e animale”), ovvero una piccola sequenza di immagini. Entrambi si sono avvalsi di sequenze oligonucleotidiche (chiamati protospacer) da incorportare nel batterio, le quali, una volta elaborate dal sistema batterico, vengono integrate sotto forma di spacer.

  • Mano: sono stati utilizzati due metodi di codifica, uno rigido (HandR) ed uno flessibile (HandF). Il primo prevede la presenza di protospacer contenenti dei pixet,
    Qualità della riproduzione della MANO

    ovvero gruppi di 4 pixel, e un motivo vicino al protospacer, capace di migliorarne la modifica successiva. A ciascuna base nucleotidica viene assegnato il valore di un pixel, per un totale di 28 basi nucleotidiche per ciascun protospacer. In questa maniera è stato possibile scomporre l’immagine “Mano”, di 56×56 pixel, attraverso 112 protospacer. Il secondo metodo invece prevede che ogni pixel sia codificato da una tripletta nucleotidica con una base variabile, quindi ogni protospacer di 28 nucleotidi codifica per 9 pixel. L’immagine questa volta è di dimensioni 30×30 ed è stata scomposta attraverso 100 protospacer. I protospacer sono poi stati inseriti nell’E.Coli, la “macchina fotografica” che, dopo aver processato le sequenze attraverso il CRISPR-Cas durante la notte, ha restituito degli spacer analizzabili. Una volta elaborate queste sequenze con metodi bioinformatici, è stato visto che dopo 655360 letture, circa l’88% dei pixet nel primo metodo e circa il 96% nel secondo, erano stati accuratamente registrati, dimostrando una migliore efficacia del secondo metodo.

Time-lapse del rendering della MANO durante la notte
  • GIF de “Locomozione umana e animale”, foto dell’artista Eadweard Muybridge: in questo caso, utilizzando una metodica flessibile simile a quella Mano, sono state registrate, in sequenza, 5 immagini successive. Ogni immagine (o frame) è stata rappresentata da 104 protospacer. Ogni frame è stato incorporato nei batteri della coltura a distanza di 5 giorni ciascuno, permettendo innanzitutto la diffusione dei protospacer nella coltura e secondariamente l’inclusione successiva delle immagini, che si è visto essere
    Confronto tra immagine originale e restituita (per vedere la GIF, aprire link nelle fonti)

    sequenziale, ovvero ogni nuovo frame veniva inserito più vicino alla sequenza leader, spingendo quella del frame precedente più lontano. Si è visto inoltre che, per ricostruire la GIF, data la variabilità della distribuzione dei protospacer, era necessaria tutta la coltura, poiché nessun batterio conteneva nel proprio genoma l’intera sequenza dei frame. L’accuratezza della memorizzazione ha sfiorato il 90%.

Secondo i ricercatori, il motivo per il quale la metodica flessibile è più efficiente risiederebbe nella possibilità che i protospacers creati in tal modo abbiano delle sequenze che rendano più veloce ed efficace il processo di elaborazione batterica, in particolare sequenze con alte percentuali (>50%) di guanosina e citosina risultavano in una minore efficacia della memorizzazione.

Prospettive

Alla luce dei promettenti risultati, gli autori della ricerca si sono mostrati entusiasti, tanto che il dottor Shipman, neuroscienziato e membro del team, ha affermato che “è possibile immaginare un sistema biologico di memoria molto più piccolo e versatile delle tecnologie attuali, che tenga traccia di molti eventi nel tempo in maniera non invasiva”, portando addirittura alla creazione di “modelli di malattia o di terapia”, registrando quanto accade nella cellula in maniera semplice ed affidabile.

FONTI | articolo Nature, articolo di intervista

FONTI immagini | Locus CRISPR semplificato, GIF, Mano 1 e 2, copertina