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- Posted By: Capuano Edoardo
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Un team dell'Università di Washington e della Microsoft ha sviluppato un dispositivo Nanopore-Tal che consente alle cellule di parlare con i computer.
Le proteine Genetically encoded reporter sono state un cardine della ricerca sulla biotecnologia, consentendo agli scienziati di monitorare l'espressione genica, comprendere i processi intracellulari e il debug dei circuiti genetici ingegnerizzati.
Ma gli schemi di segnalazione convenzionali che fanno affidamento sulla fluorescenza e altri approcci ottici sono dotati di limitazioni pratiche che potrebbero lanciare un'ombra sul futuro progresso di questo ambito. Ora, i ricercatori dell'Università di Washington e della Microsoft hanno creato un “Nanopore-Tal” in ciò che sta accadendo in questi complessi sistemi biologici, consentendo agli scienziati di vedere le reporter proteins in una nuova ottica percettiva.
In un nuovo studio, pubblicato da Nature Biotechnology, (1) si narra l'introduzione, da parte di una équipe scientifica, di una nuova classe di reporter proteins che possono essere lette direttamente da un dispositivo di rilevamento Nanopore disponibile in commercio. Il nuovo sistema - soprannominato “Nanopore-addressable protein Tags Engineered as Reporters” o “NanoporeTERs” - può rilevare più livelli di espressione proteica da colture di cellule batteriche e umane molto oltre la capacità delle tecniche esistenti.
«I NanoporeTERs offrono un lessico nuovo e più ricco alle cellule ingegnerizzate per esprimersi e concretizzare una nuova luce sui fattori che sono progettati al tracciamento. Possono dirci molto di più su ciò che sta accadendo nel loro ambiente tutto in una volta», ha detto il dottor Nicolas Cardozo, (2) uno studente di dottorato con l'UW Molecular Engineering and Sciences Institute. «Ci stiamo adattando per queste cellule con lo scopo di poter 'parlare' ai computer su ciò che sta accadendo nei loro dintorni in una nuova dimensione dettagliata».
Per i metodi di etichettatura convenzionali, i ricercatori possono tracciare solo alcune proteine del reporter ottico, come le proteine fluorescenti verdi, (green fluorescent protein) (3) contemporaneamente a causa delle loro proprietà spettrali sovrapposte. Ad esempio, è difficile distinguere tra più di tre diversi colori di proteine fluorescenti contemporaneamente. Al contrario, i nanoporeteri sono stati progettati per trasportare distinti “codici a barre” proteici composti da stringhe di aminoacidi che, se utilizzati in combinazione, consentono almeno dieci volte più possibilità di multiplexing.
Queste proteine sintetiche sono secrete al di fuori di una cella nell'ambiente circostante, dove gli scienziati possono raccogliere e analizzarli utilizzando un array Nanopore disponibile in commercio. Qui, il team ha utilizzato il dispositivo del minion di Oxford Nanopore Technologies.
I ricercatori hanno ingegnerizzato le proteine NanoporeTER con “tails” cariche in modo che possano essere tirate nei sensori Nanopore da un campo elettrico. Quindi la squadra utilizza l'apprendimento della macchina per classificare i segnali elettrici per ciascun codice a barre NanoporeTERs per determinare i livelli di uscita di ciascuna Proteina.
«Le sorgenti luminose sono davvero utili per comunicare una posizione fisica, poiché puoi letteralmente vedere da dove proviene il segnale, ma è difficile confezionare più informazioni in quel tipo di segnale. Un messaggio in una bottiglia, d'altra parte, può imballare molte informazioni in una nave molto piccola, e puoi inviarne molte di loro in un'altra posizione da leggere. Potresti perdere di vista la posizione fisica precisa in cui i messaggi sono stati inviati, ma per molte applicazioni non sarà un problema».
Come prova del concetto, il team ha sviluppato una biblioteca di oltre 20 distinti “NanoporeTERs” tags. Ma il potenziale è significativamente maggiore, secondo la dottoressa Karen Zhang, (4) una studentessa di dottorato nel programma di specializzazione UC Berkeley-UCSF Bioingeingering, che si è laureata quest'anno dall'UW in Biochimica e in microbiologia..
Ella aggiunge che «Attualmente stiamo lavorando per ridimensionare il numero di “NanoporeTERs” a centinaia di migliaia di migliaia, forse anche milioni di milioni. Più ne abbiamo, più cose possiamo tracciare».
«Siamo particolarmente entusiasti del potenziale delle singole cellule proteomiche, ma questo potrebbe anche essere un mezzo per fare biosensing multiplex con lo scopo di diagnosticare la malattia e localizzare il bersaglio terapeutico oppure identificare aree specifiche all'interno del corpo. Il debug dei complicati disegni di circuiti genetici diventerebbero molto più facile e richiederebbero molto meno tempo se potessimo misurare le prestazioni di tutti i componenti in parallelo anziché per prova e errore».
Questi ricercatori hanno già fatto un nuovo uso del MinION device, quando hanno sviluppato un molecular tagging system (5) per sostituire i metodi di controllo di inventario convenzionali. Quel sistema si basava sui codici a barre che comprende fili sintetici di DNA che potrebbero essere decodificati su richiesta utilizzando il lettore portatile.
Questa volta, il team è andato più lontano.
«Questo è il primo documento per mostrare il modo in cui un dispositivo commerciale Nanopore Sensor può essere riproposto per applicazioni diverse dal sequenziamento del DNA e dell'RNA per il quale sono stati progettati in origine», ha dichiarato la dottoressa Kathryn Doroschak, (6) una biologa computazionale alle biotecnologie adattive che ha completato questo Lavoro come studentessa di dottorato alla Allen School. «Questo rappresenta come un precursore per la tecnologia Nanopore che diventerà più accessibile e onnipresente in futuro. Puoi già collegare un dispositivo Nanopore nel tuo cellulare. Potrei immaginare un giorno di poter scegliere “app molecolari” che saranno relativamente poco costose e ampiamente disponibili al di fuori della genomica tradizionale».
Ulteriori coautori del documento sono Aerilynn Nguyen presso la Northeastern University e Zoheb Siddiqui di Amazon, entrambi ex studenti universitari UW; Nicholas Bogard alle Bioscienze delle patch, un ex associato di ricerca postdoctival UW; Luis Ceze, un professore scolastico Allen; E Karin Strauss, un professore di affiliazione scolastico Allen e un senior principale responsabile della ricerca su Microsoft.Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, dal National Institutes of Health e da un accordo di ricerca sponsorizzato dalle tecnologie di Oxford Nanopore.
Riferimenti:
(1) Multiplexed direct detection of barcoded protein reporters on a nanopore array
(2) Nicolas Cardozo
(4) Karen Zhang
Descrizione foto: I ricercatori dell'Università di Washington e della Microsoft hanno introdotto una nuova classe di reporter proteins che possono essere lette direttamente da un dispositivo di rilevamento Nanopore disponibile in commercio. Raw nanopore signals escono dal dispositivo del MinION device, che contiene una serie di centinaia di sensori nanopore. Ogni colore rappresenta i dati da un singolo Nanopore. Il team utilizza l'apprendimento della macchina per interpretare questi segnali come dei NanoporeTERs barcodes. - Credit: Dennis Wise/University of Washington.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: University of Washington and Microsoft researchers develop “nanopore-tal” enabling cells to talk to computers