Attraverso alcuni intelligenti hack molecolari, i ricercatori del Columbia University Medical Center hanno convertito un sistema immunitario batterico naturale in un registratore di dati microscopico, gettando le basi per una nuova classe di tecnologie che utilizzano cellule batteriche per tutto, dalla diagnosi delle malattie al monitoraggio ambientale.

I ricercatori hanno modificato un normale ceppo di laboratorio dell'onnipresente microbo intestinale umano Escherichia coli , consentendo ai batteri non solo di registrare le loro interazioni con l'ambiente, ma anche di marcare l'ora degli eventi.

"Tali batteri, inghiottito da un paziente, potrebbero essere in grado di registrare i cambiamenti che sperimentano attraverso l'intero tratto digestivo, fornendo una visione senza precedenti di fenomeni prima inaccessibili, "dice Harris Wang, professore assistente presso il Dipartimento di Patologia e Biologia Cellulare e Biologia dei Sistemi presso CUMC e autore senior del nuovo lavoro, descritto nel numero di oggi di Scienza . Altre applicazioni potrebbero includere il rilevamento ambientale e studi di base in ecologia e microbiologia, dove i batteri potrebbero monitorare cambiamenti altrimenti invisibili senza disturbare l'ambiente circostante.

Wang e i membri del suo laboratorio hanno creato il registratore di dati microscopici sfruttando CRISPR-Cas, un sistema immunitario in molte specie di batteri. CRISPR-Cas copia frammenti di DNA dai virus invasori in modo che le generazioni successive di batteri possano respingere questi agenti patogeni in modo più efficace. Di conseguenza, il locus CRISPR del genoma batterico accumula una registrazione cronologica dei virus batterici a cui esso e i suoi antenati sono sopravvissuti. Quando quegli stessi virus tentano di infettare di nuovo, il sistema CRISPR-Cas è in grado di riconoscerli ed eliminarli.

"Il sistema CRISPR-Cas è un dispositivo di memoria biologica naturale, " dice Wang. "Dal punto di vista ingegneristico, in realtà è piuttosto carino, perché è già un sistema che è stato affinato attraverso l'evoluzione per essere davvero eccezionale nell'archiviazione delle informazioni".

CRISPR-Cas utilizza normalmente le sue sequenze registrate per rilevare e tagliare il DNA dei fagi in arrivo. La specificità di questa attività di taglio del DNA ha reso CRISPR-Cas il beniamino dei ricercatori di terapia genica, che lo hanno modificato per apportare cambiamenti precisi nei genomi delle cellule coltivate, animali da laboratorio, e persino umani. Infatti, sono in corso oltre una dozzina di studi clinici per trattare varie malattie attraverso la terapia genica CRISPR-Cas.

Ma Ravi Sheth, uno studente laureato nel laboratorio di Wang, ha visto un potenziale non realizzato nella funzione di registrazione di CRISPR-Cas. "Quando pensi di registrare segnali che cambiano temporalmente con l'elettronica, o una registrazione audio... è una tecnologia molto potente, ma stavamo pensando come si può ridimensionare questo alle cellule viventi stesse?" dice Sheth.

Per costruire il loro registratore microscopico, Sheth e altri membri del laboratorio Wang hanno modificato un pezzo di DNA chiamato plasmide, dandogli la capacità di creare più copie di se stesso nella cellula batterica in risposta a un segnale esterno. Un plasmide di registrazione separato, che guida il registratore e scandisce il tempo, esprime componenti del sistema CRISPR-Cas. In assenza di segnale esterno, solo il plasmide di registrazione è attivo, e la cellula aggiunge copie di una sequenza spaziatrice al locus CRISPR nel suo genoma. Quando un segnale esterno viene rilevato dalla cellula, viene attivato anche l'altro plasmide, che porta invece all'inserimento delle sue sequenze. Il risultato è una combinazione di sequenze di sfondo che registrano il tempo e sequenze di segnale che cambiano a seconda dell'ambiente della cellula. I ricercatori possono quindi esaminare il locus CRISPR batterico e utilizzare strumenti computazionali per leggere la registrazione e la sua tempistica.

L'attuale documento dimostra che il sistema può gestire almeno tre segnali simultanei e registrare per giorni.

"Ora stiamo pianificando di esaminare vari marcatori che potrebbero essere alterati in caso di cambiamenti negli stati naturali o di malattia, nel sistema gastrointestinale o altrove, " dice il dottor Wang.

I biologi sintetici hanno precedentemente utilizzato CRISPR per memorizzare poesie, libri, e immagini nel DNA, ma questa è la prima volta che CRISPR è stato utilizzato per registrare l'attività cellulare e la tempistica di quegli eventi.

Il Scienza il documento è intitolato, "Registrazione multiplex di eventi cellulari oltre 1 volta in un nastro biologico CRISPR."