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DNA: un nuovo sistema di memorizzazione delle informazioni biologiche

Ultimo aggiornamento – 17 Dicembre, 2014

La scoperta è qualcosa che va oltre le tecniche di ingegneria genetica fin qui conosciute.
Un team di biologi del M.I.T. di Cambridge (Boston), guidato dal prof. Timothy Lu, è riuscito a riprogrammare geneticamente un comune batterio dell’organismo umano, l’escherichia coli, in modo da trasformarlo in un sistema di memorizzazione delle informazioni biologiche, come un hard disk del pc, per essere chiari, consultabile ogni volta che è necessario.

Non solo, ma utilizzando apposite colture di batteri, le informazioni si trasmettono a tutta la popolazione e alle generazioni successive, ampliando notevolmente la quantità di “storage” utilizzabile.

In effetti”, dice il dr. LU, “per arrivare a questo risultato, ci siamo ispirati all’ingegneria elettrica e informatica”.
Quando la tecnica sarà definitivamente messa a punto e resa del tutto affidabile, questi sistemi di storage biologico potranno essere utilizzati per memorizzare informazioni e monitorare sia il nostro organismo, ad esempio per tenere sotto controllo la glicemia, che l’ambiente, valutando la qualità di un bacino idrico.

Lo studio

Rispetto agli studi precedenti, la scoperta del prof. Lu segna un notevole passo avanti. In precedenti tentativi di biologia genetica, la memorizzazione dei dati si è dimostrata complicata, permettendo di memorizzare solo la presenza o l’assenza di particolari input di tipo sensoriale, praticamente come un interruttore che è solo acceso o spento e con un campo di possibili applicazioni molto limitato. Nell’ultimo studio, i ricercatori del M.I.T. descrivono come si possono registrare molti tipi di dati contemporaneamente, e come si può registrare l’accumulo degli input nel tempo, esattamente quello che fa il disco rigido di un computer.

La ricerca è iniziata tre anni fa e riguardava il tentativo di migliorare le modificazioni genetiche che permettono alle cellule, appositamente stimolate, di incorporare nuove informazioni nei loro genomi. Un approccio apparentemente semplice che prevede l’utilizzo di molecole di DNA a singolo filamento.
I genomi batterici, come i genomi umani, sono costituiti da molecole di DNA a filamento doppio. Ma quando il DNA a singolo filamento è flottante nella cellula, è possibile stimolare il batterio da inserire nel proprio genoma, utilizzando un enzima. Tuttavia, la maggior parte dei batteri non produce facilmente un numero significativo di singoli filamenti di DNA.

I ricercatori hanno allora pensato di utilizzare un particolare tipo di batterio del suolo, scoperto negli anni 80 del XX secolo e conosciuto con il nome di RETRON, la cui struttura contiene moltissimi filamenti di DNA singoli che si muovono liberamente nel DNA a doppia elica.

Riprogrammando i filamenti di RETRON all’interno dell’E.Coli, è stata creata una colonia di nuovi batteri dal genoma riprogrammato. In un primo esperimento, il batterio è stato reso resistente a un antibiotico e si è visto che l’informazione è stata acquisita dall’intera colonia batterica.
Proprio come in un hard disk, la memoria può essere cancellata e riscritta e il sistema può essere attivato, rendendolo sensibile alla conducibilità elettrica dell’organismo o alla luce, mediante l’uso di proteine fotosensibili inserite nel corredo genetico.

Attualmente, il team è riuscito a registrare due variabili insieme, cosa che renderà possibile, ma ci vorranno nuove ricerche, la programmazione di molte informazioni memorizzabili e attivabili simultaneamente per svolgere compiti di natura più complessa.
Siamo in grado di riprogrammare qualsiasi parte del genoma“, spiega il team leader dr. Timothy Lu, “e questo è il motivo per cui tendiamo a considerarlo come un vecchio registratore a nastro, perché si può dirigere la programmazione dove il segnale è già stato, geneticamente, scritto“.

Non solo, ma poiché la sequenza può essere trasmessa di generazione in generazione, la memoria si accumula gradualmente e viene conservata per tutta la durata della popolazione. Gli scienziati possono quindi recuperare le informazioni memorizzate dal sequenziamento del genoma dell’organismo. Determinando il numero delle cellule all’interno della popolazione che contengono la nuova sequenza di DNA, è possibile estrapolare sia l’ampiezza che la durata del segnale. Più alta è la percentuale contenente la sequenza, maggiore è la capacità di gestire le informazioni.

Qual è l’obiettivo?

L’obiettivo finale degli scienziati è quello di utilizzare questo sistema come un dispositivo di monitoraggio per ambienti differenti. Dal momento che è possibile progettare le cellule per rispondere a una varietà di differenti stimoli, le potenziali applicazioni sono molto vaste. I microrganismi possono essere collocati nel mare per misurare i livelli di CO2 o di inquinamento, in medicina potrebbero essere usati per monitorare la progressione di malattie, ad esempio la diffusione dei tumori, raccogliendo stimoli che vengono rilasciati dalle cellule malate.

Particolarmente interessati agli sviluppi applicativi si sono dimostrati anche i biologi che lavorano alla programmazione delle cellule staminali.

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