Florian Praetorius e il prof. Hendrik Dietz dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno sviluppato un nuovo metodo che può essere utilizzato per costruire strutture ibride personalizzate utilizzando DNA e proteine. Il metodo apre nuove opportunità per la ricerca fondamentale in biologia cellulare e per applicazioni in biotecnologia e medicina.

acido desossiribonucleico, meglio conosciuto con la sua sigla DNA, porta le nostre informazioni genetiche. Ma al Prof. Hendrik Dietz e Florian Praetorius di TUM, Il DNA è anche un eccellente materiale da costruzione per le nanostrutture. Piegare il DNA per creare forme tridimensionali utilizzando una tecnica nota come "DNA origami" è un metodo consolidato in questo contesto.

Ma ci sono limiti a questo approccio, spiega Dietz. Il "lavoro di costruzione" avviene sempre al di fuori dei sistemi biologici e molti componenti devono essere sintetizzati chimicamente. "La creazione di strutture definite dall'utente di dimensioni dell'ordine da 10 a 100 nanometri all'interno di una cellula rimane una grande sfida, " aggiunge. La loro tecnica di nuova concezione ora consente ai ricercatori di utilizzare le proteine ​​per piegare il DNA a doppio filamento nelle forme tridimensionali desiderate. Qui, sia il DNA che le proteine ​​necessarie possono essere codificati geneticamente e prodotti all'interno delle cellule.

Le proteine ​​fungono da graffette

Le "proteine ​​di base" progettate sulla base di effettori TAL sono la chiave del metodo. Gli effettori TAL sono prodotti in natura da alcuni batteri che infettano le piante e sono in grado di legarsi a sequenze specifiche nel DNA vegetale, neutralizzando così i meccanismi di difesa della pianta. "Abbiamo costruito varianti delle proteine ​​TAL che riconoscono simultaneamente due sequenze target personalizzate in diversi siti del DNA e quindi le uniscono in pratica insieme, " dice Dietz. "Questa era esattamente la proprietà di cui avevamo bisogno:proteine ​​in grado di unire insieme il DNA".

Il secondo componente del sistema è un doppio filamento di DNA contenente più sequenze di legame che possono essere riconosciute e collegate da un insieme di diverse proteine ​​di base. "Nel caso più semplice si può creare un loop legando due punti l'uno all'altro, " Spiega Praetorius. "Quando nel DNA esistono diversi di questi siti di legame, è possibile costruire forme più complesse." Un aspetto essenziale del lavoro del ricercatore è stato quindi determinare una serie di regole per disporre le proteine ​​stesse e come distribuire le sequenze di legame sul doppio filamento del DNA per creare la forma desiderata.

Nuovi strumenti per la ricerca fondamentale

Cosa c'è di più, le proteine ​​di base servono come punti di ancoraggio per proteine ​​aggiuntive:un metodo denominato fusione genetica può essere utilizzato per attaccare qualsiasi dominio proteico funzionale desiderato. Le strutture ibride fatte di DNA e proteine ​​funzionano quindi come una struttura tridimensionale che può mettere gli altri domini proteici in una particolare posizione spaziale. Tutti gli elementi costitutivi delle strutture ibride delle proteine ​​del DNA possono essere prodotti dalla cellula stessa e quindi assemblarsi autonomamente. I ricercatori sono riusciti a produrre gli ibridi in ambienti simili a cellule partendo da informazioni genetiche. "C'è una probabilità abbastanza alta che funzioni anche nelle cellule reali, "dice Dietz.

Il nuovo metodo apre la strada al controllo della disposizione spaziale delle molecole nei sistemi viventi, che permette di sondare processi fondamentali. Per esempio, si presume che la disposizione spaziale del genoma abbia un'influenza sostanziale su quali geni possono essere letti e quanto sia efficiente il processo di lettura. La creazione intenzionale di loop utilizzando strutture ibride TAL-DNA nel DNA genomico può fornire uno strumento per studiare tali processi.

Sarebbe anche possibile posizionare geometricamente una serie di proteine ​​all'interno e all'esterno della cellula in modi personalizzati per studiare l'influenza della prossimità spaziale, ad esempio, sull'elaborazione delle informazioni nella cellula. La vicinanza spaziale di alcuni enzimi potrebbe anche rendere più efficienti i processi in biotecnologia. Infine, sarebbe anche ipotizzabile utilizzare strutture ibride proteina-DNA ad esempio per stimolare meglio la risposta immunitaria delle cellule, che può dipendere dalla precisa disposizione geometrica di più antigeni.

Lo studio è pubblicato su rivista Scienza oggi.