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CRISPR

Gli scienziati hanno usato CRISPR per trasformare dei batteri in registratori

Immaginate delle minuscole audiocassette zeppe di segnali biologici.

Alessandro Tavecchio


In una nuova ricerca pubblicata su Science, un team di ricercatori dell’università della Columbia, ha trasformato dei batteri in microscopici registratori di dati biologici basati sul sistema CRISPR.

Invece che su Cas9 — la molecola forbice che permette di tagliare il DNA in punti precisi — il registratore si basa sulle altre due proteine del sistema CRISPR, Cas1 e Cas2, che nei batteri copiano pezzettini del DNA di virus invasori e li salvano nel genoma. In questo modo, il batterio ha nel suo genoma un archivio di tutti i virus che lui e i suoi antenati diretti hanno incontrato, e se lo stesso virus prova a re-infettarlo, il sistema CRISPR può dispiegare Cas9, che, andando a caccia specificamente dei pezzettini salvati, taglierà solo il DNA virale e non quello del batterio.

Qualche mese fa il team di George Church dell’università di Harvard aveva utilizzato CRISPR per memorizzare una GIF nel genoma di un batterio. Cas 1 e 2 inseriscono sequenzialmente l’informazione dentro il genoma, per cui è possibile anche inserire eventi sequenziali — come il susseguirsi di fotogrammi — senza bisogno di specificare alcuna informazione temporale su cosa viene prima o cosa viene dopo: ci pensa il registratore.

Già allora, Seth Shipman, il primo autore della ricerca, precisava che memorizzare una GIF nel DNA non era solo un trucco per nerd fine a se stesso, perché — almeno in linea di principio — il meccanismo si poteva usare per memorizzare informazioni biologiche direttamente dall’interno della cellula, invece di dati forniti dall’esterno. Questo è proprio ciò che fa nel nuovo studio il neo-battezzato sistema TRACE (Temporal Recording in Arrays by CRISPR Expansion).

Il team di Harris Wang ha appositamente costruito due plasmidi — cioè molecole di DNA in grado di replicarsi separatamente dal cromosoma del batterio — e li ha inseriti in una popolazione di Escherichia coli. Il primo plasmide è il registratore: contiene il sistema CRISPR con Cas1 e Cas2 e, in assenza di segnale, aggiunge “rumore bianco” al genoma del batterio a intervalli regolari, scandendo il tempo di registrazione. Il secondo è un plasmide interruttore: se nella cellula c’è, ad esempio, del rame, il plasmide comincia a replicarsi. All’interno della cellula ci sarà quindi, improvvisamente, una sovrabbondanza di DNA del plasmide interruttore: CRISPR nel registratore se ne accorge e comincia a salvare pezzetti del DNA interruttore.

Così come nelle vecchie audiocassette a nastro magnetico si registrava un segnale audio, i microscopici registratori dello studio della Columbia conservano un segnale biologico su un nastro di CRISPR. Immagine: Wang Lab/Columbia University Medical Center via

In questo modo, sequenziando il genoma del batterio, i ricercatori possono risalire, come in un nastro registrato, alla sequenza e al timing degli eventi. Non solo: combinando plasmidi interruttore diversi, lo studio mostra che questo registratore biologico è in grado di riconoscere tre stimoli diversi per tre giorni. Oltre al già citato rame, il sistema TRACE può riconoscere anche il trealosio (uno zucchero) e il fucosio (una molecola coinvolta nelle infezioni intestinali), registrandone correttamente la sequenza. E siccome la registrazione viene salvata nel genoma batterico e non nel plasmide, la sequenza resta stabilmente nella popolazione: in altre parole, i discendenti portano nel genoma una copia del diario dei loro antenati.

Si tratta solo di applicazioni preliminari, ma questi batteri registratori potrebbero permetterci di avere accesso a informazioni che finora erano al fuori dalla nostra portata in ambiti che vanno dal monitoraggio ambientale al metabolismo interno delle cellule stesse.

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