Usare gli ultrasuoni per visualizzare l’espressione genica nelle cellule di mammifero

Una ricerca condotta principalmente da scienziati del California Institute of Technology ha permesso di mettere a punto, attraverso l’ingegneria genetica, un metodo per visualizzare l’espressione genica utilizzando gli ultrasuoni.

Applicazioni del GFP in organismi modello e animali.

Lo studio dei processi cellulari che avvengono all’interno di organismi viventi necessita di metodi per visualizzare le funzioni cellulari come l’espressione genica nei tessuti profondi.

I risultati della ricerca

Gli ultrasuoni rappresentano una tecnologia biomedica ampiamente utilizzata che permette di ottenere un imaging non invasivo con un’alta risoluzione spaziale e temporale. Tuttavia, al giorno d’oggi, ancora non esistevano delle molecole che potessero permettere di ottenere un’immagine a contrasto per l’espressione genica nelle cellule mammifere.
Con un articolo di ricerca pubblicato su Science il 27 settembre 2019, Ultrasound imaging of gene expression in mammal cells, gli scienziati del California Institute of Technology hanno sfruttato un cluster di geni proveniente da specifici gruppi di batteri al fine di ingegnerizzare geneticamente il programma genetico eucariote, la cui manipolazione ha permesso l’espressione di nanostrutture proteiche intracellulari piene d’aria, in grado di produrre un contrasto evidente agli ultrasuoni.
La ricerca è stata una pietra miliare non soltanto per i risultati ottenuti, ma anche per quella che è stata la metodica utilizzata dagli scienziati. Al fine di convertire un gene che codifica per proteine vescicolari ricche di gas in reporter proteins (come GFP), è stata fatta una cosa mai svolta prima: trapiantare un programma genico di 9 sequenze codificanti dai batteri in cellule mammifere, in questo caso derivanti dai reni umani (Human Embryonic Kidney Cells).
Eseguire questa procedura non è stato semplice siccome i batteri e i mammiferi non “leggono” nello stesso modo i geni codificati nel DNA. Ciò vuol dire che se gli scienziati avessero inserito direttamente il DNA batterico nelle cellule renali, queste ultime non avrebbero saputo cosa fare con quella informazione a loro estranea. Per superare tale ostacolo, gli scienziati si sono serviti di virus a DNA, i quali sono soliti “iniettare” il loro materiale genetico per poi essere convertiti in RNA che entra a far parte dell’espressione poliribosomiale tipica delle cellule eucariote.

Schema riassuntivo della ricerca.

Come funzionano gli ultrasuoni

Le onde ad ultrasuono sono delle onde sonore meccaniche la cui frequenza è nettamente superiore a quella mediamente percettibile dall’orecchio umano, assestandosi attorno ai 20 kHZ.
Solitamente essi sono generati grazie ai materiali piezoelettrici, che sono in grado di creare una differenza di potenziale se soggetti a compressioni o dilatazioni trasversali, ma anche in grado di generale oscillazioni se sottoposti a differenze di potenziale (quindi l’esatto opposto).
La principale applicazione in ambito medico degli ultrasuoni è l’ecografia, tecnica di diagnostica per immagini che sfrutta gli echi prodotti da un fascio di ultrasuoni che attraversa un organo o un tessuto. Gli echi che vengono ricevuti sono di ampiezza minore rispetto a quelli incidenti e la tensione generata dal cristallo risulta essere molto bassa per quanto riguarda l’eco di ritorno. Per tale motivo essa deve essere amplificata prima di essere inviata ai sistemi di interpretazione elettronici.

ecografia
Ecografia durante gravidanza.

GFP: illuminare i geni nelle piastre di coltura

Le cellule attivano e disattivano continuamente i geni e solitamente. per visualizzare l’espressione genica, gli scienziati li ingegnerizzano in maniera tale che, quando attivi, esprimono anche proteine “luminose” quali la GFP (Green Fluorescent Protein). Tuttavia, nonostante tale pratica sia perfetta per le piastre di coltura, la luce non viaggia altrettanto bene nel corpo rendendo difficile la tracciabilità dell’attività genica nei tessuti e negli organi.
La GFP è una proteina naturalmente espressa nella medusa Aequorea Victoria, dotata di una caratteristica fluorescenza. La proteina è divenuta negli ultimi decenni un noto strumento per la biologia molecolare siccome, se colpita ed eccitata da specifici raggi luminosi, è in grado di riemettere luce di colore verde acceso.
La proteina, nello specifico, è costituita da 238 aminoacidi i cui residui 65-67 (Ser-Tyr-Gly) portano spontaneamente alla formazione del cromoforo p-idrossibenzilideneimidazolinone. Lo spettro di eccitazione associato alla fluorescenza di GFP ha un massimo a 400 nm mentre l’emissione è massima a 505 nm (verde brillante).

Aequorea Victoria.

Leave comment

Your email address will not be published. Required fields are marked with *.

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.