Con i normali registratori vocali basta premere il tasto Rec per avviare la registrazione, Stop per fermarla, Play per ascoltare. Ora un gruppo della Columbia University ha ideato un sistema per fare qualcosa del genere nei sistemi viventi, registrando i cambiamenti che avvengono dentro e intorno alle cellule. Il nuovo registratore biologico si chiama Trace e ci aiuterà a studiare quello che avviene in habitat aperti come il mare, o difficilmente accessibili come l’intestino dei mammiferi. Al posto della musica o delle voci, si registrano le tracce lasciate dalle fluttuazioni molecolari, che riflettono l’andamento di particolari vie metaboliche, gli alti e bassi dell’espressione genica, le relazioni tra le cellule di una popolazione. Come supporto, invece delle vecchie bobine, c’è il DNA. Sequenziarlo, alla fine, equivale a riascoltare la registrazione. Ma come si fa a incidere il nastro?

L’acronimo Trace, come spiega lo studio appena pubblicato su Science, sta per “temporal recording in arrays by CRISPR expansion”. La funzione del tasto Rec, infatti, è affidata a CRISPR, il sistema che si è evoluto nei batteri per archiviare gli identikit molecolari dei virus invasori in modo da poterli riconoscere e distruggere. Il più delle volte, quando parliamo di CRISPR, ci riferiamo a un’applicazione che si basa sulla proteina guerriera che cerca e attacca i nemici virali (Cas9). I biotecnologi, infatti, hanno imparato a sfruttare la sua capacità di tagliare il DNA in modo programmabile, trasformandola in una piattaforma tecnologica al servizio dell’ingegneria genetica di precisione. Stavolta però i ricercatori si sono concentrati su due componenti meno note del sistema CRISPR, dette Cas1 e Cas2. In natura queste proteine svolgono un lavoro preliminare, di intelligence. In pratica si adoperano per schedare i virus, immagazzinando in modo ordinato segmenti di DNA che sono detti spaziatori. Ravi Sheth e colleghi se ne sono serviti per costruire il loro registratore biologico, inserendo i geni che esprimono Cas1 e Cas 2 in un’unità di catalogazione (il plasmide pRec). Quindi le hanno affiancato un’unità di innesco (pTrig, ovvero plasmide trigger), incaricata di fornire le sequenze da archiviare in base agli stimoli ambientali prescelti. Il risultato è che, quando la stimolazione è assente, nell’archivio genomico vengono inserite delle schede bianche, gli spaziatori di riferimento, che servono a scandire il tempo che passa. Quando invece arriva lo stimolo, vengono integrate le schede informative vere e proprie (spaziatori trigger). Alla fine la successione degli spaziatori ci rivela la cronologia degli eventi biologici, quindi funziona come un diario che conserva i ricordi della vita cellulare.

Per mettere alla prova il sistema nei batteri modello Escherichia coli, e testarne la capacità di lavorare in multiplex monitorando diversi stimoli contemporaneamente, i ricercatori hanno registrato tre diversi segnali biologici nel corso di tre giorni: un contaminante ambientale (il rame), un metabolita zuccherino (trealosio) e una molecola associata alle infezioni intestinali (fucosio).

Trace ha funzionato bene, annotando in modo cronologicamente ordinato nel DNA batterico le tracce delle tre sostanze, come si richiede a un registratore convenzionale sensibile a voci, suoni e rumori diversi. CRISPR aveva già dimostrato di avere potenzialità straordinarie come sistema di archiviazione dati, quando il gruppo di George Church se ne era servito per immagazzinare in una colonia batterica un’intera sequenza animata, convertendo i pixel in triplette di lettere ben ordinate lungo il genoma. Oggi possiamo dire che si trattava di una dimostrazione spettacolare, ma non fine a sé stessa. Infatti quell’intuizione ci sta portando le prime applicazioni, utili per scrivere una micro-storia delle popolazioni di cellule.

(Photo credit: Ravi Sheth)