L'amplificazione del DNA, una tecnica di "fotocopiatura" molecolare in cui il materiale genetico viene replicato, ha molte applicazioni nella ricerca scientifica, la scienza forense, e laboratori medici. È utile per rilevare e identificare alcune forme di cancro e malattie virali, e mantiene la promessa per il trattamento di queste malattie in futuro.

Il processo di amplificazione del DNA attualmente richiede cicli termici su un'ampia gamma di alte temperature, che vanno da 48°C a 95°C (118°F a 203°F). Di conseguenza, la qualità dei campioni biologici in lavorazione è spesso compromessa. Un team di scienziati giapponesi ha ora sviluppato un metodo per amplificare il DNA a temperatura corporea all'interno di cellule artificiali che assomigliano a quelle umane.

I loro risultati sono stati pubblicati il ​​9 luglio, 2019 in Comunicazione chimica .

L'amplificazione del DNA è ampiamente utilizzata nella ricerca di biologia molecolare per il sequenziamento del DNA per determinare l'esatta struttura dei nucleotidi che compongono il materiale genetico di un organismo, così come per la clonazione del DNA e studi relativi all'espressione genica. Viene anche utilizzato per analizzare il DNA raccolto da campioni antichi. Le applicazioni forensi includono il fingerprinting genetico, una tecnica che viene spesso utilizzata per incriminare o rivendicare i sospetti in un'indagine penale, identificare il corpo di una persona deceduta, o per i test parentali/paternità per confermare i genitori biologici di un bambino. Le applicazioni mediche della replicazione del DNA includono il rilevamento e l'identificazione di diversi tipi di cancro, così come le malattie infettive, compreso il virus dell'immunodeficienza umana (HIV), che può essere notoriamente difficile da rilevare.

Attualmente, la tecnica della reazione a catena della polimerasi (PCR) è comunemente usata per amplificare un segmento di DNA. Durante il processo di PCR, il campione di DNA viene ripetutamente riscaldato in modo che si separi in due singoli filamenti di DNA. Con l'aiuto di un primer enzimatico, ogni nuova molecola ora consiste di un vecchio filamento di DNA insieme a un nuovo filamento di DNA per formare la doppia elica.

Mentre l'amplificazione del DNA è stata ottenuta in cellule artificiali con il metodo PCR, i cicli ripetitivi su un elevato range di temperature danneggiano spesso le delicate molecole che compongono il campione genetico. amplificazione isotermica, che consente una rapida amplificazione di specifiche molecole di DNA a una temperatura più bassa che rimane costante, potrebbe risolvere questo problema. Invece della PCR in soluzione, questo metodo utilizza uno strumento molecolare incapsulato progettato per ripetere la copia e il rilascio di un DNA a singolo filamento con una sequenza di DNA sintetico che rispecchia il filamento originale, un processo noto come amplificazione del circuito del DNA.

"Nel nostro studio, sono state create cellule artificiali che amplificano il DNA di oltre 5000 volte in risposta a stimoli esterni a temperatura corporea, "ha detto Shinichiro Nomura, professore associato presso la Graduate School of Engineering, Università Tohoku in Giappone, e co-autore dello studio.

Poiché questo funziona a temperatura corporea, "nel futuro, consentirà agli scienziati di sviluppare cellule artificiali e robot molecolari in grado di diagnosticare le cellule tumorali e prendersi cura delle cellule rilevando piccole quantità di molecole segnale in situ all'interno del corpo, " disse Nomura.

Inoltre, il momento in cui si verifica l'amplificazione può essere attivato e regolato artificialmente usando la luce, un processo noto come fotostimolazione. L'amplificazione del DNA fotoattivata è entusiasmante in quanto consentirebbe agli scienziati di produrre e assemblare nanostrutture molecolari all'interno di cellule artificiali con una precisione calibrata su dove e quando vengono attivate all'interno della cellula. Queste nanostrutture molecolari artificiali potrebbero essenzialmente agire come robot molecolari in grado di rilevare e combattere le malattie dall'interno della cellula.

Secondo Nomura, i prossimi passi includono lo sviluppo di sistemi di controllo in cellule artificiali utilizzando i DNA amplificati, e infine il rilevamento di molecole segnale prodotte nelle cellule tumorali.

Negli organismi viventi, le molecole segnale svolgono un ruolo importante nei processi di comunicazione cellulare che governano e coordinano le attività e le azioni cellulari, compreso lo sviluppo cellulare, riparazione dei tessuti e risposte immunitarie alle malattie. Eventuali errori durante i processi di segnalazione cellulare possono provocare malattie come il diabete, cancro, e malattie autoimmuni. Comprendendo la segnalazione cellulare ed essendo in grado di rilevare molecole segnale e riconoscere errori in questi segnali di comunicazione, i medici possono essere in grado di identificare e trattare le malattie in modo più efficace.