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RNA-protein Nanostructures for Synthetic Biology

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La tecnica dell’«origami» fornisce nuovi strumenti per la biologia sintetica

L’applicazione dell’arte giapponese di piegatura della carta ai filamenti di RNA ha consentito a un team di ricercatori dell’UE di «programmare» le cellule, il che potrebbe comportare progressi significativi nei campi della biologia sintetica e della medicina.

Ricerca di base

La biologia sintetica, una disciplina che prevede la modificazione degli organismi esistenti mediante l’applicazione di tecniche informatiche e ingegneristiche, sta offrendo grandi opportunità per le biotecnologie industriali e la medicina. Sebbene ci si trovi ancora agli albori di questo campo, i ricercatori sono in grado di programmare le cellule, affinché funzionino come «fabbriche» per produrre le medicine o i biocarburanti desiderati, e sono alla ricerca di come programmarle in modo da rilevare e distruggere i tumori. «Un ostacolo, tuttavia, è rappresentato dal fatto che gli elementi genetici non sono sempre modulari come ci si potrebbe augurare», spiega Ebbe Sloth Andersen, coordinatore del progetto RNA ORIGAMI e professore associato presso l’Università di Aarhus in Danimarca. «I sistemi biologici sono molto complessi. Decontestualizzare gli elementi genetici non è un metodo sempre funzionante.»

Partire da zero

Andersen ritiene che una soluzione a questa sfida potrebbe essere costituita dalla riprogettazione completa degli elementi genetici. Per raggiungere questo proposito, una tecnologia implementativa chiave potrebbe essere la tecnica dell’RNA origami. «Il metodo dell’RNA origami prende ispirazione dall’arte giapponese di piegatura della carta», afferma Andersen. «Invece di piegare la carta, abbiamo ripiegato un singolo filamento di RNA. Così facendo, siamo riusciti a codificare a livello genetico le nanostrutture dell’RNA e a esprimerle successivamente nelle cellule.» Andersen è un pioniere di questa tecnica. Ispirandosi alla sua collaborazione con Paul Rothemund, un pioniere nella tecnica del DNA origami, realizzata presso il California Institute of Technology, il docente si è prefisso di applicarla alle molecole di RNA nel proprio laboratorio. Il successo in questo intento ha portato al progetto RNA ORIGAMI, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca. Mediante lo svolgimento di questo progetto, Andersen ha cercato di applicare la sua ricerca fondamentale ad applicazioni di biologia sintetica nel mondo reale, uno sforzo che ha previsto lo sviluppo di strumenti di progettazione assistita da computer per semplificare la creazione di nanostrutture di RNA. «Il progetto ha richiesto competenze in diverse aree di ricerca», osserva Andersen. «Pertanto, il punto di partenza è stato il reclutamento di ricercatori in possesso di competenze in bioinformatica, tecniche di caratterizzazione biofisica, biochimica dell’RNA e biologia sintetica. Lavorando congiuntamente, abbiamo sviluppato un ciclo coerente che va dalla progettazione tramite computer alla sintesi e alla caratterizzazione, passando per applicazioni nella biologia sintetica.»

Medicine a base di RNA

Il team ha sviluppato con successo strumenti software in grado di progettare strutture di RNA origami di dimensioni e complessità senza precedenti. Questi software sono open-source, risultando quindi disponibili alla comunità di ricerca. «Speriamo che l’accessibilità al software ispirerà altri ricercatori a utilizzare questa tecnologia», afferma Andersen. «RNA ORIGAMI mi ha consentito di realizzare i miei obiettivi in relazione alla maturazione di questa tecnologia RNA, facendo progredire il software, e all’individuazione di nuove strade da percorrere per le nanotecnologie RNA.» I risultati hanno messo in evidenza il potenziale insito nell’impiego delle molecole di RNA progettate razionalmente quali strumenti per la biologia sintetica. Uno dei principali punti di forza delle strutture di RNA origami, spiega Andersen, è che possono fungere da impalcature su cui fissare e organizzare i componenti molecolari della cellula. Per esempio, sono stati sviluppati sensori codificati geneticamente che indicano le concentrazioni di metaboliti presenti nelle cellule. Le impalcature di RNA origami sono state collocate all’interno delle cellule allo scopo di controllare i percorsi metabolici. Andersen ha identificato la medicina quale area primaria per un ulteriore sfruttamento. «La progressiva affermazione dei vaccini a base di RNA nel corso della pandemia di COVID-19 ha posto la medicina a RNA sotto i riflettori», aggiunge. «Questa tecnologia è dotata di un grande potenziale. Ad esempio, possiamo esprimere l’RNA nelle cellule al fine di manipolare le proprietà cellulari o usare l’RNA come particelle da somministrare al corpo in qualità di medicina.» Andersen è inoltre desideroso di approfondire il punto di vista teorico di quest’area di studio, così da poter sviluppare ulteriormente la tecnologia e da renderla più funzionale. «Il mio interesse principale è quello di continuare nell’intento di comprendere l’essenza del ripiegamento dell’RNA e di far progredire la tecnologia dell’RNA origami, in modo da capire ciò che è possibile realizzare», conclude.

Parole chiave

RNA ORIGAMI, RNA, biologico, cellule, biotecnologie, medicina, nanostrutture, sintetico

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