Negli ultimi anni, CRISPR ha conquistato i titoli dei giornali per aver aiutato a curare pazienti con condizioni diverse come cecità e anemia falciforme. Tuttavia, molto prima che gli esseri umani cooptassero CRISPR per combattere le malattie genetiche, i batteri utilizzavano CRISPR come sistema immunitario per combattere i virus.

Nei batteri, CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) funziona rubando piccoli pezzi di DNA dai virus infettanti e immagazzinando quei pezzi nei geni dei batteri. Questi frammenti di DNA, chiamati distanziatori, vengono quindi copiati per formare piccoli tag, che si attaccano alle proteine ​​che fluttuano intorno fino a trovare un pezzo di DNA corrispondente. Quando trovano una corrispondenza, la riconoscono come un virus e la tagliano.

Ora, un articolo pubblicato su Current Biology di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università della Pennsylvania, mostra che il rischio di autoimmunità gioca un ruolo chiave nel plasmare il modo in cui CRISPR memorizza le informazioni virali, guidando quanti distanziatori i batteri conservano nei loro geni e per quanto tempo sono questi distanziatori.

Idealmente, i distanziatori dovrebbero corrispondere solo al DNA appartenente al virus, ma esiste una piccola possibilità statistica che il distanziatore corrisponda a un altro pezzo di DNA nei batteri stessi. Ciò potrebbe significare la morte per una risposta autoimmune.

"Il sistema immunitario adattativo nei vertebrati può produrre malattie autoimmuni. Sono molto gravi e pericolosi, ma le persone non l'hanno considerato attentamente per i batteri", afferma Vijay Balasubramanian, ricercatore principale per il documento e professore di Cathy e Marc Lasry di Fisica nella Scuola di Arti e Scienze.

Bilanciare questo rischio può mettere i batteri in una sorta di legame evolutivo. Avere più distanziatori significa che possono memorizzare più informazioni e respingere più tipi di virus, ma aumenta anche la probabilità che uno dei distanziatori possa corrispondere al DNA dei batteri e innescare una risposta autoimmune.

Balasubramanian, insieme ai coautori Hanrong Chen del Genome Institute di Singapore e Andreas Mayer dell'University College London, si è reso conto che i batteri potevano aggirare questo problema avendo distanziatori più lunghi. Simile a come una password più lunga potrebbe essere più difficile da decifrare, è meno probabile che un distanziatore più lungo corrisponda al DNA dei batteri stessi. Ciò significa che i batteri con distanziatori più lunghi sarebbero in grado di avere più distanziatori in generale senza il rischio di innescare una risposta autoimmune.

Con questa idea in mano, i ricercatori hanno costruito un modello matematico per calcolare il rapporto tra la lunghezza del distanziatore e il numero totale di distanziatori che i batteri dovrebbero essere in grado di immagazzinare senza rischiare una risposta autoimmune.

Una volta elaborato il modello matematico, hanno verificato se la loro previsione era vera nei batteri osservando il DNA CRISPR di migliaia di specie e confrontando la lunghezza del distanziatore con il numero di distanziatori memorizzati.

I ricercatori hanno trovato una relazione stretta e coerente tra la lunghezza del distanziatore e il numero di distanziatori.

"La sorpresa per me è che si abbinava così bene appena uscito dagli schemi", afferma Balasubramanian. "Questo è un quadro teorico molto semplice. C'è il rischio di autoimmunità, ma è bello avere più memoria immunitaria e devi bilanciare queste due considerazioni. È solo molto, molto raro che qualcosa di così semplice corrisponda ai dati."

Balasubramanian afferma che il successo del modello mostra che questa struttura di semplici compromessi matematici potrebbe applicarsi a sistemi più complessi, come il sistema immunitario dei vertebrati, compreso l'uomo.

"Solo facendo quel tipo di ragionamento statistico puoi fare molti progressi", dice. "Quindi forse possiamo tornare all'immunità dei vertebrati e utilizzare le stesse tecniche."

Questo studio è anche tra i primi a descrivere l'importanza della risposta autoimmune nei batteri. Balasubramanian ei suoi collaboratori sperano che gli studi futuri sul CRISPR considerino il rischio di autoimmunità.

Per quanto riguarda il lavoro futuro nel suo gruppo, mira a esplorare il modo in cui CRISPR memorizza le informazioni in risposta all'evoluzione dei virus. E mentre un modello statistico dell'evoluzione dei geni batterici potrebbe sembrare molto lontano dalla vita quotidiana, Balasubramanian afferma che questo lavoro pone le basi per una comprensione più ampia dell'immunità, in modi che potrebbero consentire una visione più approfondita di virus come l'influenza stagionale o il nuovo SARS-CoV -2 varianti.

Dice Balasubramanian, "Questi sono tutti pezzi di un puzzle più grande".