I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per proteggere i delicati circuiti genetici sintetici dall’interruzione causata dalla crescita cellulare, una sfida comune nell’ingegneria genetica. L’approccio sfrutta un processo naturale chiamato separazione di fase liquido-liquido per creare minuscoli compartimenti protettivi all’interno delle cellule, salvaguardando le modifiche ingegnerizzate e garantendo il funzionamento coerente dei programmi genetici sintetici.
Il problema: diluizione e guasto del circuito
Quando gli ingegneri genetici progettano e assemblano circuiti genetici sintetici per programmare le cellule con nuove funzioni, si pone un problema critico quando le cellule crescono e si dividono. Le molecole di segnalazione chiave – componenti essenziali di questi circuiti – possono diluirsi, portando a instabilità e, infine, causando il fallimento dei programmi sintetici. Questa diluizione impedisce ai circuiti di mantenere il comportamento programmato.
Una soluzione ispirata alla natura
Xiaojun Tian, professore associato presso la School of Biological and Health Systems Engineering dell’Arizona State University, e il suo team hanno ideato una soluzione che imita le strategie organizzative della natura. Progettando le cellule per formare piccoli compartimenti simili a goccioline, noti come condensati trascrizionali, attorno ai geni chiave, proteggono efficacemente questi geni dagli effetti dirompenti della crescita cellulare.
Come funziona la separazione di fase liquido-liquido
Le cellule utilizzano naturalmente la separazione di fase liquido-liquido per organizzare il loro ambiente interno, creando compartimenti per reazioni biochimiche essenziali senza la necessità di membrane. Il team ha riconosciuto il potenziale di sfruttare questo processo per proteggere i circuiti genetici sintetici. Queste goccioline microscopiche agiscono come “zone sicure”, impedendo che le molecole chiave vengano lavate via man mano che la cellula cresce.
“Quando proviamo a programmare le cellule per svolgere compiti utili, come la diagnostica o la produzione terapeutica, i programmi genetici spesso falliscono perché la crescita cellulare diluisce le molecole chiave necessarie per mantenerle in funzione”, spiega Tian. “Abbiamo affrontato questa sfida sfruttando la strategia di separazione di fase della cellula per proteggere i sistemi ingegnerizzati.”
Un cambiamento negli approcci alla biologia sintetica
Tradizionalmente, la biologia sintetica si è concentrata sulla manipolazione delle sequenze di DNA o dei circuiti di feedback regolatori per mantenere la funzionalità dei sistemi ingegnerizzati. Il team di Tian ha introdotto un principio di progettazione diverso, basato sulla fisica, che funziona con l’organizzazione esistente delle molecole all’interno delle cellule.
“Abbiamo scoperto che formando minuscole goccioline chiamate condensati trascrizionali attorno ai geni, possiamo proteggere i programmi genetici e mantenerli stabili anche mentre le cellule crescono”, aggiunge Wenwei Zheng, professore di chimica. “È una soluzione fisica semplice che impedisce la diluizione e mantiene i circuiti funzionanti in modo affidabile.”
Prova visiva: goccioline in azione
Le immagini microscopiche dello studio mostrano gruppi luminosi e luminosi di questi condensati trascrizionali all’interno delle cellule, fornendo la conferma visiva che queste goccioline possono formarsi esattamente dove necessario per stabilizzare l’attività genetica.
La competenza collaborativa guida l’innovazione
Questa svolta è il risultato di uno sforzo interdisciplinare, che si avvale delle competenze della biologia sintetica, della modellizzazione e dell’ingegneria metabolica. Il progetto è stato promosso da David Nielsen, un professore di ingegneria chimica, che ha sottolineato le applicazioni pratiche di questa scoperta: “È emozionante vedere come queste goccioline possono essere utilizzate per aumentare i rendimenti della bioproduzione”.
Applicazioni e potenziale futuri
I ricercatori vedono un vasto potenziale per questa tecnica. Il gruppo di Tian sta già lavorando all’ingegneria di diversi tipi di condensati per controllare geni specifici, creando quelle che descrivono come “cellule intelligenti” in grado di adattarsi e funzionare a lungo termine.
“I ricercatori di biologia sintetica che lottano con circuiti instabili vedranno questo come un nuovo modo per rendere i loro sistemi più affidabili”, afferma Zheng. “Anche gli ingegneri di bioprocessi che desiderano una resa costante possono usarlo. Per i biofisici come me, è emozionante vedere principi fisici come la separazione di fase trasformati in pratici strumenti di ingegneria.”
Questo lavoro riflette un cambiamento significativo nella biologia sintetica. Sfruttando i principi organizzativi naturali della cellula, i ricercatori possono creare sistemi potenti e intrinsecamente stabili, aprendo nuove strade per fabbriche di cellule stabili e future applicazioni mediche. I prossimi passi prevedono la dimostrazione delle applicazioni della tecnica attraverso implementazioni più diverse per valutare la resilienza e la scalabilità, sebbene il potenziale per un’applicazione più ampia sia considerato elevato.
