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X segna il punto per il DNA Jumbo
L'azione calda in molte aree della tecnologia ruota attorno a come rendere le cose sempre più piccole. In controtendenza con questa tendenza, gli scienziati della Stanford University hanno sintetizzato un filamento di DNA artificiale con molecole di circa il 15% più grandi della varietà naturale. Questo cosiddetto xDNA ha proprietà che mancano nel minuscolo DNA che la natura prepara. È più stabile, per esempio. Si illumina anche sotto la luce ultravioletta. Questi tratti suggeriscono che l'xDNA potrebbe essere utile nelle procedure diagnostiche genetiche e, potenzialmente, nelle forme di vita artificiali. Il nostro più grande interesse è se possiamo progettare il nostro sistema genetico, afferma il professore di chimica Eric Kool, che ha guidato il team di ricerca di Stanford. Penso che siamo sulla buona strada.
Ciò che rende xDNA diverso dal normale DNA è la sua struttura. Normalmente, il DNA è una stringa di nucleotidi, ciascuno dei quali comprende uno zucchero, un fosfato e una base: adenina, timina, guanina o citosina (rappresentata nelle descrizioni del DNA come A, T, G e C). Quando i filamenti di DNA si legano tra loro, le basi si accoppiano in un modo particolare: l'adenina si lega sempre alla timina e la guanina alla citosina.
Circa trent'anni fa, Nelson Leonard, allora chimico dell'Università dell'Illinois e ora al California Institute of Technology, trovò un modo per allungare l'adenina in modo che diventasse fluorescente se esposta alla luce ultravioletta. Quello che Leonard non poteva fare era attaccare lo zucchero e il fosfato alla base, creando un nucleotide completo; gli scienziati all'epoca non sapevano come creare il DNA, sebbene ora il processo di creazione di filamenti artificiali sia comunemente usato nella diagnostica medica genetica.
Quello che Kool cercava era un modo per creare una doppia elica del DNA. Per prima cosa ha sintetizzato due basi espanse: adenina e timina (xA e xT). Ha quindi prodotto nucleotidi dalle basi xA e xT con zuccheri e fosfati appropriati. Accoppiando un xA con un normale T e un xT con un normale A, Kool è stato in grado di assemblarli in una doppia elica larga appena quanto basta per contenere le basi allungate.
La costruzione dei nucleotidi ha richiesto quattro anni di lavoro. Kool ha iniziato progettando la struttura delle basi stirate, per poi passare alla sintesi, che ha richiesto la ricerca di forme appropriate di zuccheri e fosfati. Abbiamo fatto reazione chimica dopo reazione chimica dopo reazione chimica, dice Kool. La purificazione dei risultati può richiedere giorni o addirittura settimane. E poiché tale sintesi non era stata fatta prima, c'erano molti vicoli ciechi.
Una volta che i ricercatori hanno sintetizzato nucleotidi stabili e di grandi dimensioni, hanno utilizzato apparecchiature disponibili in commercio per collegarli insieme in sequenze di DNA. Il DNA naturale ha bisogno di circa 10,5 passaggi di nucleotidi accoppiati per effettuare una rotazione completa nella doppia elica. Le basi allargate aumentano il diametro dell'elica, che di conseguenza necessita di più passaggi di questo tipo. Essendo più grande, la struttura molecolare offre una maggiore stabilità; mentre il DNA naturale nel laboratorio di Kool è crollato a 21°C, xDNA è rimasto intatto fino a 56°C. La ricerca di Kool mostra che la struttura a doppia elica del DNA [naturale] non deve essere l'unica, afferma Danith Ly, assistente professore di chimica alla Carnegie Mellon University ed esperto nello sviluppo di strumenti chimici per lo studio della genomica e della proteomica.
L'ultima ricerca di Kool per un sistema genetico su misura è un compito arduo e non deve essere affrettato, afferma Ly: affinché una funzione biologica possa esistere indipendentemente da qualsiasi cosa, ha bisogno di proteine, lipidi, enzimi, ogni sorta di cose. Per noi farlo nei prossimi cento anni potrebbe essere possibile, ma sarebbe difficile. E prima di ciò, Kool deve creare versioni espanse delle basi G e C, che saranno probabilmente paragonabili in difficoltà al suo lavoro su xA e xT.
A parte gli scenari di fantascienza dei geni designer, Kool crede che xDNA abbia implicazioni pratiche nella diagnostica, in particolare nel miglioramento delle procedure mediche esistenti che rilevano le condizioni di salute basate sulla struttura del DNA di una persona. I medici che cercano un particolare DNA o RNA in una persona prelevano un campione di tessuto e introducono un filamento di DNA artificiale che si legherà a quel materiale. Le tecniche che lavano via tutto tranne le coppie legate contenenti il DNA artificiale consentono ai laboratori di cercare facilmente ciò che è rimasto. Se non si lega correttamente, sai che non è una mutazione o il DNA [ricercato], afferma Paul Billings, vicepresidente e direttore nazionale di genetica e genomica presso Laboratory Corporation of America, una società di test diagnostici in Burlington, Carolina del Nord.
Poiché l'xDNA si lega più fortemente del normale DNA, sarebbe più resistente in questo processo di test. Inoltre, la sua naturale fluorescenza potrebbe fungere da segnale luminoso, facilitando il rilevamento. Anche dopo che la tecnica era diventata più di una curiosità di laboratorio, tuttavia, la sua utilità diagnostica avrebbe dovuto essere dimostrata sul campo. Prima di tutto, devi dimostrare che entra nelle cellule e si comporta in altri modi come l'altro DNA, dice Billings. In secondo luogo, devi dimostrare che è migliore di altri metodi. Esistono metodi consolidati che funzionano ora e nessuna prova ancora che le proprietà leganti e fluorescenti dell'xDNA rappresenterebbero un chiaro miglioramento.
Inoltre, le caratteristiche fluorescenti dell'xDNA dovrebbero probabilmente essere modificate, afferma Ly. Secondo l'articolo del team di Kool, la molecola si è illuminata quando illuminata dalla luce ultravioletta con una lunghezza d'onda di circa 390 nanometri. I tessuti non assorbono molto bene a queste lunghezze d'onda, osserva Ly, suggerendo che per l'uso diagnostico, la base dovrebbe essere regolata per rispondere alla luce più vicina all'estremità rossa dello spettro. Ma, secondo Kool, questo non porrebbe necessariamente un problema significativo negli esami di fette di tessuto sufficientemente sottili. In effetti, i nucleotidi xDNA possono persino cambiare il loro colore o intensità fluorescente quando si legano al DNA o RNA naturale, un fenomeno che aggiungerebbe più strumenti possibili al kit diagnostico. Chiamala una grande luce per gli operatori sanitari.