David M. Gilbert professore di biologia molecolare presso l’Università statale della Florida ha scritto questo interessante articolo.
Il 25 aprile per i biologi di tutto il mondo è di buon auspicio. E’ il “DNA Day”, commemora la data del 1953, quando gli scienziati Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson e Maurice Wilkins hanno pubblicato fondamentali articoli scientifici che descrivono la struttura elicoidale della molecola del DNA.
Il 25 aprile del 2003, è stato utilizzato per annunciare il completamento del Progetto Genoma Umano. Ora i festeggiamenti annuali in questo giorno celebrano la molecola della vita con nuove scoperte. E’ questo il momento migliore per fornire una nuova immagine del DNA.
Io sono DNA DAVE (o almeno la mia targa dal 1984 lo dice), una delle cose che il mio laboratorio ama fare è “vedere” il DNA. Prendiamo immagini del DNA in modo da poter misurare direttamente cose che sono difficili da quantificare con metodi indiretti, di solito comportano il sequenziamento delle quattro unità chimiche del DNA, chiamate basi.
Esempio, mi piacerebbe sapere su ogni cromosoma, dove inizia il processo di replicazione del DNA. La duplicazione senza errori del DNA è essenziale per produrre cellule sane, quando questo processo è incompleto o interrotto, il risultato può causare il cancro e altre malattie: nella nostra familiare immagine della scala a doppia elica, non è visibile perché questa prospettiva è ingrandita. Inoltre, ciascuna di queste molecole equivale a 50.000 giri della scala elicoidale, un segmento sostanziale di un cromosoma umano.
Nuovo metodo nanotecnologico di diagnostica per immagini mostra il DNA come mai visto prima
David Gilbert/Kyle Klein, hanno scattato l’immagine (vedi) con un dispositivo chiamato Bionano Genomics Saphyr imager, presenta singole molecole di DNA colorate in blu, verde e rosso. I filamenti di DNA sono stati allineati facendoli passare attraverso stretti tubi chiamati nanocanali, si adattano a un solo frammento di DNA; quando il DNA scivola nel tubo, i fili si raddrizzano.
L’intera molecola di DNA è di colore blu, i segni di spunta verdi sono punti di riferimento – o sequenze specifiche di DNA -, avvengono in media ogni 4.500 coppie di basi. Il modello dei punti di riferimento fornisce un’impronta digitale unica, ci dice, dove ci troviamo lungo la lunghezza di un cromosoma.
I puntini rossi fluorescenti contrassegnano le posizioni in cui il DNA ha iniziato a replicarsi, questi siti sono chiamati “origini della replicazione”, sono il settore in cui il DNA si srotola per la prima volta in modo che il processo di duplicazione possa iniziare.
I ricercatori della Bionano Genomics di San Diego hanno sviluppato questa tecnologia nanocanale per tracciare regioni di cromosomi altrimenti non mappabili, a causa di complicate sequenze genetiche che rendono difficile determinare l’ordine delle quattro basi.
Il dispositivo ha risolto il problema “guardando” la disposizione delle sequenze su una molecola alla volta, è in grado di leggere 30 miliardi di coppie di basi in un’ora, l’equivalente di 10 genomi umani.
Il mio team e quello di Nick Rhind dell’Università del Massachusetts hanno riconosciuto che questa tecnologia a nanocanale ci avrebbe permesso di condurre un esperimento mai tentato prima: mappare tutti i luoghi in cui la replicazione del DNA inizia simultaneamente su milioni di singole fibre di DNA.
Il DNA prima che una cellula possa dividersi in due cellule indipendenti, deve fare una copia di se stesso in modo che ciascuna di esse riceva una serie completa di cromosomi: per capire com’è duplicato il materiale genetico, è essenziale sapere dove, lungo il cromosoma, inizia il processo.
E’ stata questa la sfida più grande per studiare come avviene la replicazione dei nostri cromosomi e, di conseguenza, cosa stia andando storto in così tante malattie, come il cancro, in cui la replicazione va male.
DNA replicazione e cancro
Le origini della replicazione sono state elusive perché avvengono in molti siti su molecole diverse, quindi per rilevarle dobbiamo guardare le singole molecole di DNA. Gli scienziati sebbene siano stati in grado di vedere singole molecole di DNA sin dai primi anni ’60, non siamo stati in grado di dire da dove provenissero i cromosomi, quindi non abbiamo potuto mappare nulla.
Kyle Klein, dottorato di ricerca, studente nel mio laboratorio, ha etichettato le cellule staminali umane viventi con molecole fluorescenti rosse, segnava i punti in cui si stava svolgendo la replicazione del DNA, sono stati mappati con il dispositivo Bionano. Le immagini sono state poi sovrapposte alle mappe del DNA blu e verde delle stesse molecole di DNA.
Ci aspettiamo che questo metodo trasformi completamente la nostra comprensione di come i cromosomi umani si replicano. Inoltre, poiché la maggior parte dei farmaci chemioterapici per il trattamento del cancro e la maggior parte degli agenti cancerogeni – o sostanze chimiche che causano il cancro – nel nostro ambiente quando si replica funzionano attaccando il DNA, ci aspettiamo che questo metodo fornisca un test rapido e completo su come queste sostanze chimiche disturbano la replicazione del DNA.
Speriamo anche che riveli come potremmo alleviare queste conseguenze negative e come potremmo sviluppare trattamenti chemioterapici migliori e meno tossici.