Le difese batteriche rivelano nuovi modi per migliorare la medicina personalizzata
Tutti gli organismi viventi usano il loro sistema immunitario per combattere l’attacco costante da parte dei virus. I batteri allocano parte dei loro genomi per memorizzare frammenti di DNA virale, creando un registro di potenziali invasori. Nel caso in cui un virus inietti il suo DNA nella cellula batterica, il sistema immunitario riconosce il DNA e lo distrugge. Questo sistema è noto come immunità delle brevi ripetizioni palindrome aggregate regolarmente distanziate (CRISPR, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). I virus hanno sviluppato diverse contromisure. Alcuni esprimono proteine anti-CRISPR che possono bloccare la funzione delle proteine CRISPR. Altre si appropriano di proteine CRISPR ospiti per le loro finalità. Le intuizioni di carattere genetico e biochimico conseguenti alla scoperta delle CRISPR hanno portato a Cas9, il rivoluzionario strumento di ingegneria genomica. Eppure, permangono lacune di conoscenza sul sottostante meccanismo di adattamento delle CRISPR. Il progetto Anti-CRISPR, intrapreso con il supporto delle azioni Marie Skłodowska-Curie e ospitato dal Reparto di Bionanoscienza dell’Università Tecnica (TU di Delft), si prefigge di scoprire esattamente in che modo i batteri formino questi «giornali di bordo». Le loro scoperte potrebbero aiutare a sviluppare tecniche di registrazione del DNA. «Questa corsa agli armamenti tra sistemi CRISPR batterici ospiti e geni virali anti-CRISPR è l’evoluzione in atto. Avere la possibilità di registrarla potrebbe condurre al trattamento più mirato anche di infezioni quali quella da COVID-19 e da influenza», spiega Sungchul Kim, ricercatore principale. Il lavoro è già stato citato nella rivista «Nature».
Osservare la corsa agli armamenti del virus ospite
Il processo molecolare di immunità adattativa CRISPR consiste in tre fasi principali. La prima è l’adattamento, noto come acquisizione dello spacer, in cui i batteri memorizzano informazioni virali in un array CRISPR, in ciò che può essere considerato come un registro. La seconda e la terza fase sono l’espressione e l’interferenza, che producono proteine CRISPR-Cas per distruggere il virus. Prima, il team ha deciso di studiare il modo in cui le proteine CRISPR di supporto, Cas1-Cas2, selezionano frammenti adatti di DNA virale, i cosiddetti pre-spacer, per distinguere tra self e non-self. In secondo luogo, i ricercatori hanno analizzato in che modo i pre-spacer vengono tagliati in lunghezze precise per essere integrati nell’array CRISPR. Le interazioni tra le proteine Cas1-Cas2 e i frammenti di DNA virale sono state visualizzate con una tecnica per immagini in tempo reale: la fluorescenza a singola molecola con una risoluzione su scala nanometrica. Il team ha scoperto che il dominio C-terminale di Cas1-Cas2 è determinante per la distinzione tra self e non-self. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che l’enzima responsabile della rifilatura dei pre-spacer era la DNA polimerasi III, enzima noto anche per il suo ruolo di rimozione degli errori nell’ambito della replicazione del DNA. «Non ci aspettavamo che un enzima di sintesi del DNA fosse coinvolto nella difesa. Questo implica che molti apparati biologici si sono evoluti per processi multipli», afferma Kim. Inoltre, il team ha dimostrato che il legame del dominio C-terminale Cas1-Cas2 alla firma del DNA virale, noto come motivo adiacente al protospacer, permette ai batteri di memorizzare frammenti di DNA virale nei loro giornali di bordo delle CRISPR. «Mantenere aggiornati questi ultimi è determinante contro i virus che hanno mutato il loro DNA per cercare di sfuggire all’immunità», aggiunge Kim.
Dispositivi di registrazione del DNA
Le intuizioni del progetto saranno preziose per lo sviluppo di nuove tecniche di registrazione del DNA basate su CRISPR per le cellule vive. «I sistemi di registrazione temporale del DNA nelle cellule dei mammiferi, inclusi gli esseri umani, si sono dimostrati inefficaci. I nostri risultati contribuiscono a delineare le modalità di progettazione di sequenze e architetture del DNA per realizzare un sistema in cui le informazioni sui processi cellulari possano essere memorizzate automaticamente nel DNA di quella cellula», spiega Chirlmin Joo, ricercatore principale. Poiché le proteine Cas1 e Cas2 memorizzano informazioni in ordine cronologico, le malattie o le infezioni potrebbero essere sottoposte a ingegneria inversa. Ad esempio, acquisendo alcune cellule epiteliali dell’apparato respiratorio, un medico potrebbe consultare il «giornale di bordo biologico» delle cellule per stabilire in che modo si sono sviluppati i tessuti infettati, ad esempio, dal COVID-19 o dall’influenza. Questi dati diagnostici possono poi essere utilizzati per elaborare piani di trattamento su misura.
Parole chiave
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