Sapere Scienza

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Non solo editing genetico: CRISPR per creare nuovi materiali smart

9 Settembre 2019

Avrete già sentito parlare di CRISPR, un sistema di editing genomico utilizzato soprattutto per correggere mutazioni legate a malattie. È stato anche protagonista delle sezioni di attualità dei giornali, qualche tempo fa, perché impiegato da uno scienziato cinese per modificare geneticamente due gemelle per immunizzarle da HIV. I ricercatori del MIT-Massachusetts Institute of Technology hanno trovato il modo di applicare questa tecnologia in un altro contesto: la produzione di materiali smart. Che cosa significa? Capiamolo insieme.

 

L'editing genetico e CRISPR

 

Prima di descrivere la sperimentazione degli studiosi del MIT è il caso di comprendere cosa sia l'editing genetico e in cosa consista la tecnica CRISPR. L'editing genetico è una metodologia adoperata per correggere errori genetici legati a determinate patologie e lo fa rimuovendo o modificando parti di DNA del paziente. Per far questo in laboratorio ci si è ispirati a un meccanismo di difesa sviluppato dai batteri contro i virus, capaci di individuare e distruggere il DNA di quest'ultimi. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) è proprio il nome attribuito a una famiglia di segmenti di DNA contenenti brevi sequenze ripetute che si ritrovano in batteri e archeobatteri. Queste piccole sequenze sono sfruttate dal batterio per riconoscere e distruggere il genoma proveniente dai virus. Le sequenze CRISPR sono uno degli elementi di base del sistema CRISPR/Cas, coinvolto nell'immunità acquisita dei procarioti e, in particolare, la CRISPR/Cas9 è stata modificata ed è utilizzata come strumento di editing genetico più semplice, veloce ed economico rispetto a quelli precedentemente adoperati.
Come opera nello specifico la famosa CRISPR-Cas9? Come è possibile riscrivere parti del nostro libretto d'istruzioni, il DNA? Cas9 è una proteina, un enzima, capace di tagliare il DNA. Questi enzimi sono forbici molecolari che, però, hanno bisogno che qualcosa indichi loro il luogo esatto in cui agire. A far questo ci pensa l'RNA guida: l'RNA è una molecola simile al DNA e può appaiarsi a una sequenza complementare di quest'ultimo. È un po' come trovare il lato combaciante del tassello di un puzzle. Quindi l'RNA guida trova la parte complementare nella lunghissima stringa di DNA, porta in quel preciso luogo le forbici Cas9 e quindi si procede con il taglio e la modifica.

 

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Non solo OGM: l'editing genetico per materiali smart

 

In un articolo pubblicato su Science, un gruppo di scienziati del MIT ha descritto la realizzazione di materiali smart, in grado di mutare la propria forma e utili, ad esempio, per la somministrazione di farmaci o per la creazione di sentinelle che rilevino quasi qualsiasi tipo di segnale biologico. Protagonisti dello studio sono dei gel costituti da polimeri tenuti insieme da filamenti di DNA. Per modificare le proprietà di questi materiali sono state usate delle differenti forbici molecolari: Cas12a ha preso il posto di Cas9. Cas12a è stato programmato per riconoscere una specifica sequenza di DNA: la proteina è in grado di tagliare il filamento target di DNA e in seguito singoli filamenti nelle vicinanze. A cosa serve questa serie di azioni? Questa proprietà consente ai ricercatori di progettare gel che siano controllati da CRISPR: il materiale contiene un DNA target e singoli filamenti di DNA che vengono recisi una volta che Cas12a ha riconosciuto la sequenza d'interesse in risposta a uno stimolo. I tagli porterebbero così al cambiamento della forma del materiale che, in determinati casi, si dissolverebbe rilasciando altre molecole.
Un gel di questo tipo sarebbe utile nella somministrazione di specifici farmaci: tagliate le "reti" di DNA, potrebbero essere liberate molecole chemioterapiche, antibiotici ma anche cellule o nanoparticelle all'interno del nostro organismo.

 

CRISPR varca nuovi confini di applicazione
 

C'è anche un'altra applicazione molto particolare dei gel controllati da CRISPR. I ricercatori hanno costruito due dispositivi diagnostici con questa tecnologia, uno basato su un circuito elettrico e l'altro su un chip microfluidico (come abbiamo già accennato in altri articoli, la microfluidica si occupa di sistemi che processano o manipolano piccole quantità di liquidi, nell'ordine di 10-9 a 10-18 litri). Nel primo caso gli studiosi hanno progettato un gel con singoli filamenti di DNA e un materiale che conducesse elettricità. Una volta attaccato alla superficie di un elettrodo, il gel (conduttivo) ha permesso alla corrente elettrica di fluire. Però, quando Cas12a viene attivato da una sequenza di innesco, che può essere il filamento di DNA virale contenuto in un campione di sangue, il gel si distacca dall'elettrodo interrompendo il flusso di corrente.
Invece, per quanto riguarda il chip microfluidico, gli studiosi hanno preparato un gel contenente DNA che si comporta in maniera simile a quella di una valvola e controlla il flusso di una soluzione attraverso un canale microfluidico. Quando la soluzione contiene un campione di sangue con una sequenza target di DNA, il gel si decompone, spegnendo la valvola e bloccando il passaggio della soluzione. Questo sensore microfluidico può essere collegato a un chip RFID così da trasmettere in modalità wireless i risultati del test.
Questi circuiti possono così spegnersi in risposta al rilevamento di materiale genetico proveniente da patogeni come il virus Ebola o lo Staphylococcus aureus. Diventerebbero così un utilissimo strumento di diagnostica medica.

 

Curiosi di saperne di più sulla genetica? Vi consigliamo il libro "50 grandi idee genetica" di Mark Henderson e tradotto da Ernesto Bonifazi per Edizioni Dedalo.

 

Credits immagine: foto di saylowe da Pixabay

copertina   settembre-ottobre 2019

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