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Forbici molecolari intrappolate in labirinti di DNA

mag 20

Ricercatori italiani nel team internazionale che ha messo in luce un importante meccanismo di funzionamento delle nanostrutture di DNA. Una sorta di microchip molecolare per sviluppare dispositivi innovativi per l’analisi di frammenti di tessuti piccolissimi (poche cellule) che sfuggono alle attuali tecniche diagnostiche.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications

Nuovi sviluppi nelle nanotecnologie molecolari applicate alle scienze della vita. Sulla rivista Nature Communications un team interdisciplinare di ricercatori, tra cui Matteo Castronovo della Temple University (Philadelphia) e Giacinto Scoles, professore alla Sissa fino a novembre scorso, ha appena pubblicato i risultati di uno studio che illustra i meccanismi con cui gli enzimi di restrizione interagiscono con il DNA in nanostrutture molecolari. Si tratta di un’importante classe di enzimi che, comunemente impiegati nelle biotecnologie come nell’ingegneria genetica, riescono a tagliare il DNA in corrispondenza di sequenze specifiche di nucleotidi (i mattoncini di base della struttura a doppia elica: A, T, C, G), accorciandolo con altissima precisione. Tagli che vengono rivelati con microscopi a scansione.

Per la prima volta è stato individuato che questi enzimi vengono letteralmente intrappolati all’interno di tali strutture conservando la loro funzionalità: scorrono lungo la doppia elica del DNA come se fosse un binario, finché non trovano il sito di restrizione, cioè una sequenza specifica su cui fermarsi e che, conseguentemente, tagliano a metà.

La scoperta può aprire nuovi scenari per la medicina molecolare di frontiera e favorire lo sviluppo di nanotecnologie a basso costo, usando strutture composte da molecole di DNA, utili per esempio per l’analisi di singole cellule tumorali circolanti nel sangue o microdissezioni ricavate da biopsie. Biomolecole in campioni biologici molto piccoli che attualmente non è possibile analizzare, ma che potrebbero essere facilmente misurate utilizzando sensori miniaturizzati, dalle dimensioni più piccole di una singola cellula, capaci di intrappolarne il contenuto biomolecolare e di studiarne le caratteristiche.

I ricercatori, usando metodi di manipolazione molecolare, hanno studiato l’interazione degli enzimi di restrizione con la doppia elica del DNA, in condizioni particolarmente diverse da quelle esplorate finora. Hanno utilizzato molecole dell’acido desossiribonucleico, corte una decina di nanometri, per costruire delle matrici simili a dei boschetti, formati da una “distesa” di paletti verticali su una superficie liscia. E hanno scoperto che quando la densità dei paletti di DNA è sufficientemente alta da formare una matrice ordinata, gli enzimi possono accedervi solo dai suoi bordi laterali, mediante diffusione.

«Abbiamo individuato che all’interno delle matrici, gli enzimi si diffondono bidimensionalmente: cioè gli enzimi attraversano la matrice da un lato all’altro restando intrappolati al suo interno, anche per centinaia di micrometri, attraversando distanze centinaia o decine di migliaia di volte il loro diametro» spiega Castronovo, che ha coordinato, per due anni, ricercatori delle Università di Temple (USA), Ancona e Trieste, della Sissa, della Sincrotrone Trieste, del Consorzio di Biomedicina Molecolare di Trieste e dell’Ospedale di Cattinara, con competenze in chimica, fisica, biologia molecolare, medicina ed ingegneria chimica ed elettronica.

Dal punto di vista fisico questa scoperta è molto sorprendente per due ragioni: finora non era mai stato osservato un meccanismo di questo tipo nell’interazione tra biomolecole su superfici. «E in secondo luogo, la diffusione 2D degli enzimi avviene spontaneamente, senza il bisogno di introdurre delle forze esterne per veicolare le biomolecole come, per esempio, un campo elettrico, come avviene nella maggior parte dei sistemi miniaturizzati per le analisi biologiche noti come lab-on-a-chips, che rappresentano una frontiera nella ricerca biomedicale verso l’analisi di tessuti biologici piccolissimi» precisa Scoles.
«Questo – continua Castronovo – potrebbe gettare le basi per generare vere e proprie trappole molecolari costituite da appena 10.000 molecole e, per di più, attive, cioè che non necessitano di una sorgente di alimentazione esterna per funzionare».

Il DNA infatti, oltre a essere alla base del funzionamento degli organismi viventi, è anche un prezioso materiale per produrre dispositivi “intelligenti”: sistemi macromolecolari con forma variabile a piacere, di dimensioni comprese tra alcune decine e alcune centinaia di nanometri. Auto-assemblandosi, infatti, forma la ben nota struttura a doppia elica grazie al riconoscimento tra filamenti contenenti sequenze di basi complementari tra loro. Inoltre, le funzioni del DNA dipendono dalla sua capacità di interagire con una vastissima classe di proteine che riconoscono sequenze di DNA specifiche e diverse tra loro.

«Con il nostro studio, per la classe di enzimi di restrizione, è come se avessimo scoperto che costruendo un edificio con solo 10.000 frammenti di DNA (circa un milionesimo di miliardesimo di grammo) è possibile isolarlo dall’esterno con delle pareti o un tetto, ma anche munirlo di porte o finestre per comunicare in modo controllato. Si apre così la possibilità di costruire dei veri e propri circuiti (o labirinti) molecolari» conclude Castronovo, che prima di trasferirsi negli Stati Uniti ha lavorato a Trieste al Consorzio di Biomedicina Molecolare e, prima ancora, nel laboratorio SENIL (Sissa Elettra Nanoinnovation Laboratory), presso Sincrotrone Trieste, dove questo tipo di ricerche sono approdate per la prima volta in Italia, circa sette anni fa.

La ricerca è stata condotta con finanziamenti della Regione Friuli Venezia Giulia, della Sissa -Istituto Italiano di Tecnologia, dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Trieste, dalla Fondazione Casali (Trieste) e, negli USA, con un finanziamento dell’Università di Temple.

Two-dimensional enzyme diffusion in laterally confined DNA monolayers,

Matteo Castronovo, Agnese Lucesoli, Pietro Parisse, Anastasia Kurnikova, Aseem Malhotra, Mario Grassi, Gabriele Grassi, Bruna Scaggiante, Loredana Casalis, & Giacinto Scoles

Nature Communications doi:10.1038/ncomms1296

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