Con la tecnica chiamata TimeVault, gli scienziati sono riusciti a realizzare piccole macchine del tempo per ricostruire il passato delle cellule, capire i processi patologici e la resistenza ai farmaci
Un team di scienziati dell’Università di Harvard, a Boston, ha trovato un modo per creare piccolissimi dispositivi che, all’interno delle cellule, fungono da archivi della loro storia. Il contenuto è la registrazione dell’espressione genica che, come una copia di backup, può essere recuperata anche dopo la sua scomparsa. Diventa così possibile riavvolgere il nastro e riportare a galla i cambiamenti che si sono succeduti durante lo sviluppo e nel corso delle malattie, identificando per esempio quali geni sono stati attivati e hanno reso resistente ai farmaci una cellula tumorale. La nuova tecnica, denominata TimeVault, è stata descritta in un articolo pubblicato a gennaio su Science.
ALL’ORIGINE DELLA NUOVA CAPSULA: ENIGMATICI ORGANELLI CELLULARI
Il punto di partenza della ricerca è un limite ben noto ai biologi: la difficoltà di osservare le dinamiche cellulari nel tempo. Il sequenziamento dell’RNA, per esempio, consente di scattare un’istantanea dell’espressione genica in un preciso momento, ma non di ripercorrere la linea del tempo. Le tecniche di analisi dal vivo, come la microscopia, permettono di seguire nel tempo alcuni processi, ma solo per alcune molecole. I “registratori cellulari” basati su CRISPR, sviluppati negli ultimi anni, possono creare tracce genetiche permanenti di processi molecolari, ma non consentono un’esplorazione completa della vita cellulare e, come tutti gli altri metodi, richiedono di stabilire in anticipo quali eventi monitorare.
Lo studio, guidato dal bioingegnere Fei Chen, professore di biologia rigenerativa all’Università di Harvard e membro del Broad Institute del MIT, è partito da questo vuoto di conoscenza con l’obiettivo di creare un metodo per registrare l’attività genica, immagazzinando le informazioni all’interno delle cellule per poterle recuperare in un secondo momento e osservare come eventi passati ne abbiano influenzato il destino. I ricercatori sono partiti dalle encapsuline batteriche, piccoli compartimenti proteici che isolano il loro contenuto dal resto della cellula, già impiegati per lo sviluppo di nanocarrier e piattaforme vaccinali ma senza risultati.
L’attenzione è stata poi spostata sulle vault, organelli cavi a forma di barile presenti naturalmente in migliaia di copie nelle cellule. Nonostante siano stati scoperti negli anni Ottanta, la loro funzione è ancora avvolta nel mistero, ma una cosa è chiara agli scienziati: quello che viene custodito al loro interno non innesca una reazione immunitaria poiché fa già parte dell’habitat cellulare. Identificate come possibile struttura per lo stoccaggio di informazioni, i ricercatori hanno quindi adattato il loro approccio sulle vault.
LO SVILUPPO DEI TIME VAULT: INGLOBARE L’INVENTARIO DELLA CELLULA
Per trasformarle in capsule del tempo, il team di Chen ha modificato con tecniche di bioingegneria una proteina strutturale delle vault in modo che, come una calamita, riconosca e leghi un segno molecolare distintivo delle molecole di RNA messaggero (mRNA). La produzione di questa proteina – definita dai ricercatori “l'equivalente della pressione del tasto REC di un registratore” – viene attivata e disattivata attraverso la somministrazione (e la sospensione) di un farmaco.
Il risultato è una capsula protettiva che racchiude il trascrittoma cellulare, cioè l’inventario di tutto l’mRNA prodotto dalla cellula in un preciso momento, e che conserva dunque le tracce dell’attività genica.
I RISULTATI: UN ARCHIVIO SICURO, DUREVOLE E DI SEMPLICE CONSULTAZIONE
I TimeVault proteggono il materiale genetico dalla degradazione enzimatica, come veri scudi a difesa del loro contenuto. Al loro interno l’emivita dell’RNA passa da circa 17 ore a oltre 130 ore. Per testarne la resistenza, i ricercatori li hanno posti in condizioni di stress come shock termico o ipossia e non sono state osservate conseguenze per il materiale conservato. Una volta immagazzinate, le informazioni stipate vengono tramandate: nel corso della divisione, le capsule si ripartiscono tra le cellule figlie, consentendo il propagarsi della memoria anche alle generazioni successive. La consultazione delle informazioni è possibile previa dissoluzione chimica dell’involucro proteico con il recupero delle molecole di RNA racchiuse al loro interno, un po’ come con le monete dopo aver rotto un salvadanaio.
La prima vera applicazione è stata lo studio della resistenza ai farmaci delle cellule tumorali, nello specifico nell’adenocarcinoma polmonare. Applicando i TimeVault a queste cellule sono stati identificati numerosi geni attivi con una funzione protettiva: la loro inibizione ha aumentato in modo significativo l’efficacia dei medicinali.
APPLICAZIONI E SFIDE FUTURE: VERSO SISTEMI PIÙ COMPLESSI
Finora i TimeVault sono stati utilizzati per registrare un singolo punto temporale, ma l’obiettivo è estendere il sistema a registrazioni multiple, o addirittura di tutti i geni attivi di una cellula, avvicinandosi all’idea di una vera e propria “scatola nera”. Resta da sondare se sia possibile inglobare anche altri tipi di informazione oltre all’RNA, ad esempio le proteine.
Come spiegato dagli autori, le potenziali applicazioni sono molte: oltre che aiutare a fare chiarezza sul fenomeno della resistenza ai farmaci, potrebbero contribuire ad ampliare le conoscenze sulla differenziazione delle staminali e, più in generale, su come gli eventi passati influenzano il destino di una cellula.
