La ricerca nel campo della genetica ha compiuto un passo da gigante grazie al lavoro dei ricercatori della University of Pennsylvania. Questi scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo che semplifica la costruzione dei cromosomi artificiali umani (HAC), promettendo di accelerare la ricerca sul DNA e di avere un impatto significativo sulla terapia genica e sulla biotecnologia. Questa innovazione offre un’alternativa affidabile ai sistemi di consegna genica attuali e amplia le potenzialità dell’ingegneria genetica in vari campi.
Gli scienziati indicano che questa tecnica migliorerà l’efficienza della ricerca in laboratorio e amplierà il campo di applicazione della terapia genica. I cromosomi artificiali umani che funzionano all’interno delle cellule umane hanno il potenziale per rivoluzionare le terapie geniche, inclusi i trattamenti per alcuni tipi di cancro, e hanno numerosi utilizzi in laboratorio. Tuttavia, sfide tecniche significative hanno ostacolato il loro progresso.
Ora, un team guidato dai ricercatori della Perelman School of Medicine della University of Pennsylvania ha realizzato un importante passo avanti in questo campo, superando efficacemente un comune ostacolo. In uno studio pubblicato recentemente su Science, i ricercatori hanno spiegato come hanno ideato una tecnica efficiente per realizzare HAC a partire da singoli, lunghi costrutti di DNA progettato. I metodi precedenti per realizzare HAC erano limitati dal fatto che i costrutti di DNA utilizzati per crearli tendevano a unirsi in serie imprevedibilmente lunghe e con riarrangiamenti imprevedibili. Il nuovo metodo consente di realizzare HAC più rapidamente e con maggiore precisione, il che, a sua volta, accelererà direttamente il ritmo della ricerca sul DNA. Col tempo, con un sistema di consegna efficace, questa tecnica potrebbe portare a terapie cellulari meglio progettate per malattie come il cancro.
“Essenzialmente, abbiamo fatto una revisione completa del vecchio approccio al design e alla consegna degli HAC”, ha detto Ben Black, PhD, Eldridge Reeves Johnson Foundation Professor di Biochimica e Biofisica alla Penn. “L’HAC che abbiamo costruito è molto attraente per l’eventuale impiego in applicazioni biotecnologiche, ad esempio, dove è desiderata l’ingegneria genetica su larga scala delle cellule. Un vantaggio è che esistono insieme ai cromosomi naturali senza dover modificare i cromosomi naturali nella cellula.”
I primi HAC sono stati sviluppati 25 anni fa, e la tecnologia dei cromosomi artificiali è già ben avanzata per i cromosomi più piccoli e semplici di organismi inferiori come batteri e lieviti. I cromosomi umani sono un’altra questione, dovuta principalmente alle loro maggiori dimensioni e ai centromeri più complessi, la regione centrale dove le braccia dei cromosomi a forma di X sono unite. I ricercatori sono stati in grado di far formare piccoli cromosomi artificiali umani da lunghezze di DNA auto-colleganti aggiunte alle cellule, ma queste lunghezze di DNA si multimerizzano con organizzazioni e numeri di copie imprevedibili, complicando il loro uso terapeutico o scientifico, e gli HAC risultanti a volte finiscono persino per incorporare pezzi di cromosomi naturali dalle loro cellule ospiti, rendendo le modifiche a essi inaffidabili.
Nel loro studio, i ricercatori della Penn Medicine hanno ideato HAC migliorati con molteplici innovazioni: queste includevano costrutti iniziali di DNA più grandi contenenti centromeri più grandi e più complessi, che consentono agli HAC di formarsi da singole copie di questi costrutti. Per la consegna alle cellule, hanno utilizzato un sistema di consegna basato su cellule di lievito in grado di trasportare carichi più grandi.
“Invece di cercare di inibire la multimerizzazione, ad esempio, abbiamo semplicemente aggirato il problema aumentando la dimensione del costrutto di DNA iniziale in modo che tendesse naturalmente a rimanere in forma prevedibile di singola copia”, ha detto Black.
I ricercatori hanno dimostrato che il loro metodo era molto più efficiente nella formazione di HAC rispetto ai metodi standard e produceva HAC che potevano riprodursi durante la divisione cellulare.
I potenziali vantaggi dei cromosomi artificiali, assumendo che possano essere consegnati facilmente alle cellule e operare come cromosomi naturali, sono molti. Offrirebbero piattaforme più sicure, più produttive e più durature per l’espressione di geni terapeutici, in contrasto con i sistemi di consegna genica basati su virus che possono innescare reazioni immunitarie e coinvolgere inserimenti virali dannosi nei cromosomi naturali. L’espressione genica normale nelle cellule richiede anche molti fattori regolatori locali e distanti, che sono praticamente impossibili da riprodurre artificialmente al di fuori di un contesto simile a un cromosoma. Inoltre, i cromosomi artificiali, a differenza dei vettori virali relativamente ristretti, permetterebbero l’espressione di grandi insiemi cooperativi di geni, ad esempio, per costruire complesse macchine proteiche.
