La specie è una cugina più piccola e con la spina più corta dei ricci viola che divorano le foreste di alghe. Producono un numero enorme di spermatozoi e ovuli che fecondano al di fuori dei loro corpi, consentendo agli scienziati di osservare il processo di creazione del riccio da vicino e su larga scala. Una generazione dà origine alla successiva in quattro-sei mesi. Condividono più materiale genetico con gli esseri umani rispetto ai moscerini della frutta e non possono volare via:in breve, un animale da laboratorio ideale per il biologo dello sviluppo.

Gli scienziati utilizzano i ricci di mare per studiare lo sviluppo delle cellule da circa 150 anni. Nonostante lo status dei ricci di mare come super riproduttori, le preoccupazioni pratiche spesso costringono gli scienziati a concentrare il loro lavoro su animali più facilmente accessibili:topi, moscerini della frutta, vermi.

Gli scienziati che lavorano con i topi, ad esempio, possono ordinare online animali con le specifiche proprietà genetiche che sperano di studiare:animali transgenici, i cui geni sono stati modificati artificialmente per esprimere o reprimere determinati tratti.

I ricercatori che lavorano con i ricci in genere devono trascorrere parte del loro anno a raccoglierli dall'oceano.

"Riesci a immaginare se i ricercatori sui topi piazzassero una trappola per topi ogni notte, e qualunque cosa catturassero fosse ciò che avrebbero studiato?" ha affermato Amro Hamdoun, professore presso lo Scripps Institution of Oceanography della UC San Diego.

Gli invertebrati marini rappresentano circa il 40% della diversità biologica del mondo animale, ma compaiono in una frazione esigua di una percentuale degli studi condotti sugli animali. E se i ricercatori potessero accedere ai ricci di mare con la stessa facilità dei topi? E se fosse possibile creare e allevare linee di ricci transgenici?

Quanto altro potremmo imparare su come funziona la vita?

"Sai che durante la pandemia tutti facevano il lievito naturale? Io non sono bravo a fare il lievito naturale", ha detto recentemente Hamdoun nel suo ufficio nella Hubbs Hall di Scripps. Mise invece gli occhi su un progetto di tipo diverso:un nuovo animale da laboratorio transgenico, "un moscerino della frutta proveniente dal mare".

A marzo, il laboratorio di Hamdoun ha pubblicato un articolo sul bioRxiv server di prestampa che dimostra l'inserimento riuscito di un frammento di DNA estraneo, nello specifico una proteina fluorescente di una medusa, nel genoma di un monello dipinto che ha trasmesso la modifica alla sua prole.

Il risultato è il primo riccio di mare transgenico, che brilla come una lampadina di Natale sotto una luce fluorescente. (Il documento è stato sottoposto a revisione paritaria.)

Si tratta dei primi echinodermi transgenici, il phylum che comprende stelle marine, cetrioli di mare e altri animali marini. La missione di Hamdoun è rendere i ricci geneticamente modificati disponibili ai ricercatori di tutto il mondo, non solo a coloro che lavorano in strutture di ricerca ai margini dell'Oceano Pacifico.

"Se si considerano alcuni degli altri organismi modello, come la Drosophila [moscerini della frutta], il pesce zebra e il topo, ci sono centri di risorse consolidati", ha affermato Elliot Jackson, ricercatore post-dottorato presso Scripps e autore principale dell'articolo. "Se vuoi una linea transgenica che etichetti il ​​sistema nervoso, probabilmente potresti ottenerla. Potresti ordinarla. Ed è quello che speriamo di poter essere per i ricci di mare."

Essere in grado di modificare geneticamente un animale potenzia ciò che gli scienziati possono imparare da esso, con implicazioni che vanno ben oltre le singole specie.

"Trasformerà i ricci di mare in un modello per comprendere la neurobiologia, per comprendere la biologia dello sviluppo, per comprendere la tossicologia", ha affermato Christopher Lowe, professore di biologia di Stanford che non è stato coinvolto nella ricerca.

La svolta del laboratorio, e il suo impegno nel rendere gli animali liberamente disponibili ai colleghi scienziati, "ci consentiranno di esplorare come l'evoluzione ha risolto molti problemi della vita davvero complicati", ha affermato.

I ricercatori tendono a studiare topi, mosche e simili non perché la biologia degli animali sia più adatta a rispondere alle loro domande, ma perché "tutti gli strumenti necessari per rispondere alle domande sono stati accumulati solo in poche specie", ha affermato Deirdre Lyons. , professore associato di biologia alla Scripps che ha lavorato con Hamdoun alle prime ricerche relative al progetto.

Ampliare la gamma di animali disponibili per sofisticati lavori di laboratorio è come aggiungere colori alla tavolozza di un artista, ha affermato Lyons:"Ora puoi ottenere il colore che desideri veramente, che meglio si adatta alla tua visione, invece di rimanere bloccato con pochi modelli. "

Al piano terra dell'edificio degli uffici di Hamdoun si trova l'acquario sperimentale Hubbs Hall, uno spazio simile a un garage pieno di vasche piene di acqua di mare ricircolata e un variegato assortimento di vita marina.

Durante una recente visita, Hamdoun è entrato in una vasca e ha rimosso delicatamente un monello dipinto. Si muoveva con velocità sorprendente sul palmo teso, come se esplorasse un terreno alieno.

L'ultimo antenato comune di L. pictus e Homo sapiens visse almeno 550 milioni di anni fa. Nonostante i diversi percorsi evolutivi che abbiamo percorso da allora, i nostri genomi rivelano un patrimonio biologico condiviso.

Le istruzioni genetiche che guidano la trasformazione di un singolo zigote in un corpo vivente sono sorprendentemente simili nelle nostre due specie. I sistemi specializzati si differenziano da un singolo uovo fecondato e dalla traduzione di un miscuglio di proteine ​​in un singolo essere vivente:a livello cellulare, tutto ciò procede più o meno allo stesso modo per i monelli e gli esseri umani.

Questi animali sono "davvero fondamentali per la nostra comprensione di tutta la vita", ha detto Hamdoun, rimettendo il riccio nella sua vasca. "E storicamente, geneticamente molto inaccessibile."

L'acquario sperimentale è stato costruito negli anni '70, quando estrarre la vita dal mare era l'unico modo per acquisire esemplari di ricerca. Pochi piani più in alto nella Hubbs Hall, Hamdoun fece da apripista al vivaio dei monelli, il primo tentativo su larga scala di allevare generazioni successive di animali in un laboratorio. In ogni momento, il team ha da 1.000 a 2.000 ricci di mare in varie fasi di sviluppo.

Contro un muro c'erano file e file di minuscoli serbatoi di plastica, ciascuno contenente un giovane monello delle dimensioni di una lenticchia. Una striscia di nastro adesivo su ciascuna vasca riportava la modificazione genetica dell'animale e la data della fecondazione. Su alcuni, un secondo pezzo di nastro indicava gli animali che avevano la modificazione nel DNA delle loro cellule sessuali, il che significa che poteva essere trasmessa alla prole. (Per questo motivo il laboratorio tiene scrupolosamente separati i suoi ricci dalla popolazione selvatica.)

"Una delle grandi domande in tutta la biologia è capire come la serie di istruzioni nel genoma ti dà qualunque fenotipo tu voglia studiare", ha detto Hamdoun, in sostanza, come dà origine la stringa di amminoacidi che è il codice genetico di un animale alle caratteristiche della creatura vivente e che respira. "Una delle cose fondamentali che devi fare è essere in grado di modificare quel genoma e poi studiare quale sarà il risultato."

Ha indicato una vasca contenente un minuscolo monello dal cui codice genetico è stata ritagliata la proteina ABCD1.

ABCD1 agisce come un buttafuori, ha spiegato Hamdoun, parcheggiandosi lungo la membrana cellulare ed espellendo le molecole estranee. L'azione della proteina può preservare la cellula dalle sostanze nocive, ma a volte può andare contro gli interessi di un organismo, come quando impedisce alla cellula di assorbire un farmaco necessario.

I ricercatori che utilizzano ricci in cui quella proteina non funziona più possono studiare il movimento di una molecola attraverso un organismo, ad esempio il DDT, e misurare la quantità di sostanza che finisce nella cellula senza l'interferenza confondente di ABCD1. Possono effettuare il reverse engineering del ruolo importante svolto da ABCD1 nell'impedire a una cellula di assorbire un farmaco.

E poi ci sono i monelli fluorescenti.

"La magia avviene in questa stanza", ha detto Jackson, entrando in un ufficio stretto con microscopi del valore di 1 milione di dollari a un'estremità e una centrifuga a manovella vecchia di decenni imbullonata a un tavolo all'altra.

Ha messo al microscopio una capsula di Petri contenente tre ricci transgenici delle dimensioni di una gomma da matita. Con dimensioni 120 volte superiori, ognuno di essi sembrava il ballo di Capodanno di Times Square che prendeva vita:una creatura luminosa e dimenante di simmetria radiale pentamera.

La fluorescenza non è solo un trucco da festa degli echinodermi. Illuminare le cellule rende più facile per i ricercatori tracciare i loro movimenti in un organismo in via di sviluppo. I ricercatori possono osservare come le prime cellule di una blastula si dividono e si riorganizzano in tessuto neurale o cardiaco. Alla fine, gli scienziati saranno in grado di disattivare i singoli geni e vedere come ciò influisce sullo sviluppo. Ci aiuterà a capire come si sviluppa la nostra specie e perché tale sviluppo non procede sempre secondo i piani.

Il laboratorio ha "fatto un ottimo lavoro. È stato davvero accolto favorevolmente dalla comunità", ha affermato Marko Horb, scienziato senior e direttore del National Xenopus Resource presso il Marine Biological Laboratory dell'Università di Chicago.

Horb gestisce il centro nazionale di raccolta delle specie geneticamente modificate di Xenopus, una rana artigliata utilizzata nella ricerca di laboratorio. Il centro sviluppa linee di rane transgeniche per uso scientifico e le distribuisce ai ricercatori.

Hamdoun immagina un centro risorse simile per i monelli del suo laboratorio. Hanno già iniziato a inviare minuscole fiale di sperma di riccio transgenico agli scienziati interessati, che possono coltivare ricci su misura con uova acquisite dal laboratorio di Hamdoun o da un'altra fonte.

Hamdoun ricorda vividamente il tempo trascorso all'inizio della sua carriera cercando di rintracciare frammenti casuali di DNA necessari per la sua ricerca, la delusione e la frustrazione di scrivere a professori ed ex dottorandi solo per scoprire che il materiale era andato perduto da tempo. Preferirebbe che le future generazioni di scienziati dedicassero il loro tempo alla scoperta.

"La biologia è davvero interessante", ha detto. "Più persone potranno accedervi, più impareremo."