Il dispositivo sperimentale è in grado di identificare una sequenza di DNA in meno di un’ora
Lo studio, pubblicato su Nature Biomedical Engineering da un gruppo di ricercatori, del Keck Graduate Institute (Claremont Colleges) e dell’University of California (Berkeley), sottolinea come CRISPR non sia solo uno strumento per l’editing genomico. Il biosensore CRISPR-Chip usa la nanoelettronica per rilevare mutazioni nei campioni di DNA e potrebbe essere efficacemente utilizzato per diagnosticare malattie genetiche, rilevare infezioni e valutare l’efficienza delle tecniche di editing genomico.
Genetisti e medici hanno infatti ora la possibilità di individuare specifiche mutazioni genetiche senza dover ricorrere all’amplificazione tramite Polymerase Chain Reaction (PCR), metodica ideata negli anni ’80 e ancora oggi utilizzata in tutti i laboratori del mondo, riducendo drasticamente le tempistiche di analisi.
La semplicità del biosensore risiede nel fatto che è necessario solo un campione di cellule da cui estrarre il DNA, che verrà analizzato per scoprire se contiene una specifica sequenza nucleotidica. CRISPR viene immobilizzata sulla superficie del transistor in grafene (cioè un dispositivo elettronico a semiconduttori che permette di amplificare un segnale elettrico in entrata), dove cerca la sequenza di DNA bersaglio nel campione e, quando la trova, si lega ad essa modificando la conduttività del grafene, che viene rilevata da un lettore.
La tecnica CRISRP è diventata famosa per la sua capacità di identificare, tagliare e correggere delle specifiche sequenze di DNA. Di basilare importanza in questo processo è proprio l’identificazione del segmento da tagliare, cosa che avviene grazie a una molecola di RNA guida complementare alla sequenza da identificare. La proteina Cas9 si occupa poi di tagliare il DNA. I ricercatori hanno sfruttato questo meccanismo di riconoscimento altamente specifico, utilizzando una variante della proteina Cas9 in grado di riconoscere la sequenza senza però essere in grado di tagliarla. CRISPR, legandosi alla sequenza, innesca un cambiamento nella conduttanza elettrica del grafene che, a sua volta, cambia le caratteristiche elettriche del transistor. Il grafene è un materiale con ottime proprietà di conduzione elettrica e termica ed è costituito da un unico strato di atomi di carbonio, cosa che lo rende molto sensibile. Grazie a questa proprietà del materiale, è possibile rilevare una sequenza specifica di DNA all’interno di un genoma senza dover amplificare il DNA tramite PCR, proprio perché il chip è molto sensibile anche a minime variazioni di conduttanza elettrica.
Rilevare una sequenza di DNA senza necessità di amplificazione, e in poco meno di un’ora, è qualcosa di rivoluzionario: oltre alle mutazioni di inserzione, delezione e inversione, il gruppo di ricerca vorrebbe migliorare il sistema per rilevare le infezioni e le mutazioni puntiformi. Questo sarebbe molto utile per avvicinare CRISPR-Chip all’applicazione clinica. Non è la prima volta che CRISPR incontra la diagnostica: la piattaforma SHERLOCK è infatti in grado di identificare virus e batteri, con costi e tempistiche ridotti, oltre al fatto di essere molto semplice da utilizzare e di non richiedere personale specializzato. Inoltre, il chip può essere utilizzato per indagare l’efficacia delle tecniche di editing genomico basate su CRISPR stesso, ad esempio verificando se gli RNA guida sono corretti.
Per dimostrare la sensibilità di CRISPR-Chip, il gruppo di ricerca ha lavorato su due mutazioni genetiche comuni nei pazienti affetti da distrofia muscolare di Duchenne (DMD), nello specifico le delezioni dell’esone 3 e del 51. La DMD è una grave patologia degenerativa causata da mutazioni nel gene della distrofina, una proteina fondamentale per la funzionalità muscolare. Il gene della distrofina è il più lungo che abbiamo nel nostro DNA e le mutazioni a suo carico possono essere molto diverse tra loro. Per questo motivo, le indagini genetiche per la DMD possono essere molto dispendiose, sia in termini di tempo che di denaro: CRISPR-Chip potrebbe permettere ai ricercatori di analizzare l’intera sequenza genetica della distrofina in poche ore. Creare piattaforme innovative e più economiche per la diagnosi genetica della DMD potrebbe essere un buon punto di partenza per ottenere diagnosi precoci. Avviare una presa in carico o una terapia il prima possibile è un punto fondamentale per migliorare la qualità di vita dei pazienti con malattie rare e gravi.
La combinazione di biologia e nanoelettronica permette quindi di aumentare le possibilità offerte da CRISPR e di estendere i limiti della cosiddetta “genomica digitale”.
