Memoria basata sul DNA in grado di registrare input multipli da circuiti di geni ingegnerizzati

Un nuovo registratore a base DNA permette ai bioingegneri di creare colture di cellule in grado di rilevare le informazioni nel loro ambiente e conservarle per un uso successivo. Tali cellule ‘designer’ potrebbero in futuro essere utilizzate per monitorare la qualità dell’acqua in un villaggio, o misurare la quantità di zucchero che una persona mangia.
In biologia sintetica, i geni sono progettati per regolare reciprocamente la loro capacità di espressione in modo tale da poter eseguire operazioni logiche simili a quelle dei circuiti informatici. La capacità di memoria è stata a lungo considerata una delle componenti chiave necessarie per mantenere la promessa di questa tecnologia. “Costruire circuiti genetici richiede non solo il calcolo e la logica, ma un modo per memorizzare le informazioni,” dice il bioingegnere Timothy Lu del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge.

“Il DNA fornisce una forma stabile di memoria e ci permetterà di fare più complesse attività di elaborazione.” In precedenti tentativi di biologia sintetica, la memorizzazione dei dati è stata laboriosa da costruire. Essa ha inoltre registrato solo la presenza o l’assenza di particolari input sensori, che potrebbero essere utilizzati solo per applicazioni limitate. Nell’ultimo studio, Lu e il suo collega Fahim Farzadfard descrivono come possono registrare molti tipi di dati contemporaneamente, e come si può registrare l’accumulo ddegli input nel tempo, come il conta chilometri di una macchina conta i chilometri. Le informazioni memorizzate possono essere lette dal sequenziamento del DNA. “E’ una bella aggiunta alla cassetta degli attrezzi”, che potrebbe integrare altre tecniche di memorizzazione, afferma Jérôme Bonnet, un bioingegnere al Centro di Biochimica strutturale a Montpellier, Francia, che non ha partecipato alla ricerca. ” C’è spazio per i diversi tipi di memoria in biologia sintetica – come i computers hanno il disco rigido e la RAM”.

Il lavoro dell’équipe su SCRIBA è iniziato tre anni fa, nel tentativo di migliorare le modifica genetica, in cui le cellule vengono blandite per incorporare nuove informazioni nei loro genomi. Un approccio apparentemente semplice prevede l’utilizzo di molecole di DNA a singolo filamento.
I genomi batterici, come i genomi umani, sono costituiti da molecole di DNA a filamento doppio. Ma quando il DNA a singolo filamento è flottante nella cellula, è possibile stimolare il batterio da inserire nel proprio genoma, utilizzando un enzima da un virus. Tuttavia, la maggior parte dei batteri non produce facilmente un numero significativo di DNA a singolo filamento.
Farzadfard e Lu hanno trovato un documento nel 1984, relativo ad un batterio del suolo che conteneva centinaia di copie di DNA a singolo filamento. Questo DNA è costituito da una struttura liberamente galleggiante nel DNA a doppia elica, chiamato RETRON.

La naturale funzione biologica di questi retrons rimane misteriosa, ma Farzadfard e Lu capirono che si poteva riprogrammare per produrre il singolo filamento di DNA che codificava le informazioni che volevano, e utilizzare l’enzima virale per conservarlo in un genoma batterico.
In un prototipo dell’esperimento descritto nella loro ultima ricerca, il team ha creato una colonia di batteri di Escherichia coli in cui i retrons hanno risposto alla presenza di una sostanza chimica, provocando un cambiamento nel genoma di E. coli che lo ha reso resistente a un antibiotico. Tuttavia questa trasformazione non avviene nella stessa misura all’interno di ogni cellula di E. della colonia. Maggiore era la concentrazione del prodotto chimico attivante, la maggiore è stata la percentuale di cellule che si è rivelata resistente agli antibiotici.
A differenza dei precedenti metodi che funzionavano come una forma digitale di memoria, accensione e spegnimento, come un interruttore della luce, SCRIBA potrebbe funzionare come un “analogico” sotto forma di memoria che funziona come un communtatore. La memoria non è contenuta in un singolo E. coli, ma in tutta la cultura. “Distribuendo così la memoria su questa popolazione diventa un potente modo di fare le cose.”

Farzadfard e Lu hanno dimostrato anche che questa memoria cellulare collettiva può essere invertita e riscritta, e che, inserendo proteine fotosensibili nel circuito genetico, può essere anche attivato dalla luce. Inoltre, i bioingegneri sono stati in grado di utilizzare le cellule per registrare due variabili in una sola volta, e pensano che la loro tecnica potrebbe essere facilmente scalata fino a eseguire compiti più complessi. Questa tecnica potrebbe avere impatti oltre l’ambito della biologia sintetica. Danwei Huangfu, un biologo delle cellule staminali al Memorial Sloan Kettering Institute di New York, prevede di sfruttarla per regolare l’espressione genica in cellule trapiantate che vengono utilizzate per il trattamento del diabete o per effettuare precise variazioni genetiche, per esempio nel tessuto pancreatico lasciando intatte le cellule del fegato. “Mi sembra molto interessante per me,” dice.

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