I geni del nostro corpo lavorano insieme per regolare il comportamento delle nostre cellule. Ad esempio, se ti spelli il ginocchio, i tuoi geni usano un sistema di messaggistica chimica per dirigere un esercito di cellule per curare l'abrasione. Se gli scienziati potessero creare geni artificiali in grado di svolgere le stesse funzioni ma operare all'interno dei materiali anziché negli organismi, sarebbe possibile un'ampia varietà di nuovi materiali diagnostici e autorigeneranti.

Un team guidato dall'ingegnere della Johns Hopkins Rebecca Schulman sta gettando le basi per questo lavoro progettando sistemi chimici sintetici in grado di emulare i comportamenti complessi delle reti di geni naturali. Il loro lavoro è apparso di recente su Nature Chemistry .

"Le cellule usano i geni per decidere come muoversi, crescere e agire. La capacità di creare semplici 'geni' che potrebbero prendere decisioni da soli potrebbe portare a una migliore diagnostica o terapeutica, o persino fornire modi per costruire nuovi tipi di robot con materiali morbidi che sono controllati dalla chimica invece che dall'elettronica", ha affermato Schulman, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e ricercatore associato presso l'Istituto di nanobiotecnologia della Whiting School of Engineering.

Il corpo umano comprende circa 25.000 geni e le interazioni chimiche che questi geni usano per regolare le cellule hanno molti passaggi e parti mobili. I ricercatori hanno imparato che non è necessario ricreare meticolosamente ognuno di questi passaggi biologici naturali per creare analoghi genetici sintetici in grado di svolgere le stesse funzioni. Per migliorare e prevedere meglio il comportamento degli analoghi dei geni, Schulman e il suo team hanno creato un kit di strumenti molecolari che include genelet (geni molto piccoli le cui funzioni possono variare, a seconda delle istruzioni) e modelli matematici semplificati che predicono come si comporteranno i geneletti.

Il sistema genelet semplificato del team utilizza il DNA, la somma delle informazioni genetiche di un organismo; RNA, che veicola informazioni genetiche alle parti di una cellula che producono proteine; un enzima polimerasi che trascrive il DNA per fare copie di RNA; e un enzima RNasi che degrada l'RNA. Utilizzando solo questi semplici elementi, il sistema del team Schulman può adattarsi e ripristinarsi mentre l'ambiente cambia, proprio come fanno i geni naturali nel corpo.

"Una delle sfide è che i componenti che compongono il DNA e l'RNA non si comportano sempre come previsto", spiega. "Inoltre, alcuni componenti, come gli enzimi polimerasi, sono semplici e facili da lavorare, ma difficili da controllare. Ciò rende difficile progettare sistemi che portino ai risultati desiderati".

Per evitare reazioni indesiderate, il team di Schulman ha creato un semplice modello matematico che presuppone che tutti i componenti si comportino allo stesso modo. Quindi, per costruire un sistema chimico che seguisse la previsione del modello semplice, hanno identificato sistematicamente reazioni indesiderate e le hanno soppresse modificando regioni di DNA a singolo filamento.

"In genere, le reazioni indesiderate derivano dall'enzima polimerasi in quanto è abbastanza reattivo ai componenti del DNA", ha affermato Samuel Schaffter, autore principale del lavoro e allume della Johns Hopkins. È un borsista post-dottorato presso il National Institute of Standards and Technology.

Il team ha esaminato i potenziali componenti per l'attività che desiderava e ha omesso quelli che si discostavano in modo significativo dalle prestazioni previste. Questo, combinato con le modifiche chimiche per prevenire reazioni indesiderate, ha prodotto una libreria di circa 15 genelet con prestazioni standard universali.

Hanno utilizzato questi componenti standard per progettare reti che eseguono attività chiave osservate nelle celle, come attività che guidano le cellule durante lo sviluppo, nonché reti capaci di memoria. I loro risultati si sono allineati straordinariamente bene con le loro semplici previsioni del modello, indicando la potenza dell'ingegneria utilizzando componenti con prestazioni standardizzate.

I ricercatori stanno ora lavorando per utilizzare questi sistemi chimici per controllare il comportamento di nanostrutture, nanoparticelle e idrogel, che potrebbero essere utilizzati nella diagnostica avanzata e forse un giorno nell'elettronica autorigenerante. Sperano che questo toolkit ispiri nuove applicazioni in altri gruppi di ricerca e abbia sviluppato un pacchetto software disponibile su GitHub. Gli utenti possono simulare rapidamente qualsiasi rete e produrre le sequenze di DNA da testare in laboratorio.

"Vogliamo rendere questo sistema il più semplice possibile per l'utilizzo da parte di altri ricercatori", ha affermato Schaffter, "Stiamo convergendo su un sistema che non è più limitato da sfide sperimentali e il nostro obiettivo è che l'unico limite sia l'immaginazione del ricercatore ." + Esplora ulteriormente

Nuovo metodo per creare artificialmente switch genetici per il lievito