Come può avvenire il controllo dei batteri "ingegnerizzati"

Scienziati sviluppano "switch di uccisione" per controllare al meglio i  cosiddetti batteri “ingegnerizzati”

Per evitare che i batteri geneticamente modificati , fuoriescano nell'ambiente circostante,  i ricercatori del MIT hanno sviluppato garanzie, sotto forma di due cosiddetti "kill switch", che loro chiamano rispettivamente "Deadman" e "codice di accesso". Questi “kill switch” possono causare la morte dei batteri sintetici per la mancata presenza di alcune sostanze chimiche.

Molti gruppi di ricerca stanno sviluppando batteri geneticamente modificati che potrebbero un giorno viaggiare in giro per le parti del corpo umano, operando la diagnosi e anche il trattamento delle infezioni. Gli insetti potrebbero essere utilizzati anche per monitorare le tossine nei fiumi o per migliorare la concimazione.

Tuttavia, prima che tali batteri possono essere lasciati tranquillamente a diffondersi, gli scienziati stanno lavorando per trovare un modo che impedisca loro di fuggire in un ambiente più ampio, dove potrebbero accrescersi  e causare danni.

A tal fine, i ricercatori del MIT, il Broad Institute del MIT e di Harvard, e l'Istituto Wyss della Harvard University hanno sviluppato “garanzie” sotto forma di due cosiddetti "kill switch", che possono causare la morte  dei batteri sintetici, senza la presenza di alcune sostanze chimiche. I ricercatori hanno descritto due “interruttori di uccisione”, che chiamano "Deadman" e "codice di accesso."

Circuiti indipendenti

Ci sono stati un certo numero di tentativi di sviluppare switch per uccidere i batteri ingegnerizzati,

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lo scorso anno, secondo James Collins,  professore di Ingegneria Medica e Scienza del Dipartimento del MIT di ingegneria biologica e l'Istituto di Ingegneria Medica e della Scienza (IMES), che ha guidato la ricerca .

Questi includono gli sforzi per riprogrammare l'intero genoma dell'organismo per garantire che richieda la presenza di certi amminoacidi o altri prodotti chimici per sopravvivere, dividersi, e accrescersi.

“Tuttavia, questo approccio, -dice Collins - può essere sia un lavoro di laboratorio o ad alta intensità di risorse, in quanto introdurrebbe cambiamenti che potrebbero rendere l'organismo meno utile come controllo o come strumento diagnostico”.

"Nel nostro caso, stiamo introducendo circuiti indipendenti –ha aggiunto -che possono essere saltati in qualsiasi numero di organismi diversi, senza dover ricollegare o cambiare molto del genoma, in modo che esso possa ospitare l'interruttore di uccisione".

“L'interruttore Deadman , per esempio, è parte di un ceppo batterico , - ha spiegato Collins - che ha bisogno di un fattore chimico esterno per evitare che la  tossina espressa, continui ad uccidere la cellula. L'interruttore è stato motivato in questo modo, facendo riferimento ai cosiddetti freni Deadman sui vecchi treni, che richiedevano un conduttore di essere in costante contatto con la maniglia  o il  pedale in modo che il veicolo si muovesse in avanti.

Il sistema, che si basa sul precedente lavoro, nel laboratorio di Collins, è costituito da un interruttore genetico " Toggle " , formato da due geni dei fattori di trascrizione.

Lo switch può capovolgere tra due stati, in cui uno dei due geni dei fattori di trascrizione è attivato. I ricercatori hanno alterato l'espressione di questi due fattori di trascrizione, portando a forte espressione un gene e  a debole espressione l'altro.

“La presenza di una piccola molecola , -spiega Collins - mantiene l'interruttore nel suo stato debole, ma appena questo viene rimosso, l'interruttore ritorna al suo stato forte. L'interruttore è programmato per esprimere diverse tossine appena arriva a questo stato forte è attivato”.

"Se il sistema viene capovolto, rimuovendo la piccola molecola, si esprimerebbero tossine ad un livello molto alto che potrebbero poi molto rapidamente e facilmente uccidere il germe".

La porta logica cellulare

L'interruttore Passcode , invece, agisce come una porta logica in quanto richiede una specifica combinazione di diversi fattori chimici, per consentire ai batteri geneticamente modificati di sopravvivere e proliferare.

L'interruttore è costituito da un insieme di fattori di trascrizione modulari che contengono domini separati per rivelare piccole molecole - ingressi - e per regolare l'espressione genica. Mescolando e rendendo congruenti, questi domini funzionali, i ricercatori sono in grado di costruire fattori di trascrizione ibridi in cui i diversi ingressi di molecole di piccole dimensioni sono legati al controllo di un promotore specifico per l'espressione genica.

Se i fattori di trascrizione  rilevano la giusta combinazione di piccole molecole presenti nell'ambiente, i batteri sopravviveranno. Ma se la corretta combinazione di segnali di ingresso non è presente, l'interruttore uccide il bug, secondo l'autore principale dello studio Clemente Chan, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Collins.

"Se uno degli ingressi richiesti non sono corretti, -dice Chan - allora il bug morirà"  .

Utilizzando diversi fattori di trascrizione, i ricercatori possono cambiare la combinazione-codice di accesso di piccole molecole necessarie per la sopravvivenza della cellula .” In questo modo ,- aggiunge Chan - gli switch possono essere facilmente modificati per soddisfare le esigenze delle diverse applicazioni. Si rende il nostro sistema di biocontenimento molto più flessibile, in modo da poter applicare il sistema di codice ad una gamma molto più ampia di applicazioni”.

“Gli interruttori potrebbero essere utilizzati ,-dice ancora Chan - anche per proteggere la proprietà intellettuale di un'azienda. Immaginate di essere il proprietario di un certo bug, e non volete i vostri concorrenti lo possano usare. Si potrebbe inserire , - ha aggiunto Chan - questo dispositivo in modo che solo le persone che conoscono il codice di accesso possano utilizzare il bug ".

Anche se un concorrente in qualche modo è riuscito a entrare in possesso del codice di accesso, il ricercatore potrebbe semplicemente cambiarlo, utilizzando fattori diversi di trascrizione.

Evoluzioni di queste tecniche

Le nuove misure di salvaguardia sono interessanti possibilità per ridimensionare switch che uccidono in due direzioni importanti, secondo Farren Isaacs , professore presso l'Istituto Systems Biology dell'Università di Yale, che non è stato coinvolto nella ricerca. “In primo luogo, -dice Isaacs - essi stabiliscono la possibilità di utilizzare switch  che uccidono tra le specie diverse.

"Hanno anche espanso , aggiunge Isaacs - gli interruttori codice di accesso per una grande combinazione di molecole di sintesi e fattori di trascrizione per molti set unici di ceppi che la cellula conteneva  e cocktail personalizzati di piccole molecole di sintesi".

“Avendo testato con successo- spiega Collins -  due interruttori di uccisione di Escherichia coli, i ricercatori ora sperano di inserirli negli strumenti diagnostici o terapeutici viventi, progettati per colpire una varietà di infezioni batteriche”.