Nuova tecnologia Stanford rivoluziona il sequenziamento proteico, trasformando le proteine in DNA per analisi ultra‑precise. Una svolta che apre nuove strade nella ricerca cellulare, nelle malattie e nelle terapie avanzate
Bioingegneri svelano un metodo inedito per decifrare le proteine molecola per molecola.
Le proteine, uno dei più piccoli mattoni della vita sulla Terra, offrono la promessa di rispondere ad alcune delle più grandi domande della biologia. Composte da amminoacidi concatenati in catene peptidiche, queste molecole svolgono gran parte del lavoro all’interno delle cellule viventi. Sebbene eseguano le funzioni più essenziali della vita con apparente facilità, decodificarne la sequenza e la struttura precise è stato a lungo una delle sfide più difficili della biologia.
Ora, un team guidato da bioingegneri della Stanford University ha sviluppato un approccio innovativo per visualizzare le proteine su una scala e con una sensibilità senza precedenti. Il lavoro, pubblicato su Nature Biotechnology (1), descrive un processo chimico che consente ai ricercatori di utilizzare piattaforme di sequenziamento del DNA esistenti, rapide e a basso costo, per decodificare le proteine.
«In natura, le proteine sono prodotte a partire dal DNA. Negli ultimi due decenni, la nostra società ha creato tecnologie straordinarie per sequenziare grandi quantità di DNA in modo davvero rapido ed economico», ha detto Hyongsok Tom Soh (2), W. M. Keck Foundation Professor di Ingegneria Elettrica e professore di bioingegneria e radiologia nelle scuole di Ingegneria e Medicina, nonché autore senior dello studio. «Ma purtroppo non abbiamo fatto progressi simili nel sequenziamento delle proteine. In questo lavoro, abbiamo creato una tecnologia che può convertire le sequenze proteiche nuovamente in sequenze di DNA. È un po’ come far funzionare il processo naturale - al contrario - così da poter sfruttare la potente tecnologia di sequenziamento del DNA già disponibile».
I misteri delle proteine
Le proteine contengono informazioni biologiche che il DNA non può rivelare completamente. Il DNA agisce come un manuale di istruzioni, trasportando il codice necessario per costruire la macchina cellulare. Le proteine sono quella macchina che, ripiegandosi in forme complesse, determinano come le cellule crescono, comunicano, rispondono alle minacce immunitarie e vanno incontro a malfunzionamenti nelle malattie. Nonostante il loro ruolo centrale, gli scienziati non hanno avuto a disposizione uno strumento di sequenziamento proteico in grado di eguagliare la velocità del moderno sequenziamento del DNA.
Il sequenziamento delle proteine è rimasto notoriamente difficile perché esse sono costituite da 20 diversi amminoacidi - molti di più rispetto alle quattro basi che compongono il DNA. Inoltre, questi amminoacidi sono quasi tre volte più piccoli degli acidi nucleici, il che li rende molto più difficili da rilevare e distinguere in modo affidabile con le tecnologie attuali.
«Ciò che cambia davvero è quanto possiamo vedere dallo stesso campione», ha detto il dottor Liwei Zheng (3), ingegnere di ricerca a Stanford e primo autore dello studio. «Con la spettrometria di massa, si “sparano” da 1 miliardo a 10 miliardi di molecole proteiche e, in genere, se ne osserva un milione. Con il nostro metodo, potenzialmente se ne possono vedere una quantità mille volte superiore». Zheng spera che questo nuovo sequenziamento permetta di portare alla luce tipi di proteine più rari.
Legare (e trovare) la soluzione
La nuova chimica sviluppata dal team affronta questo problema etichettando singoli amminoacidi all’interno di un peptide mediante codici a barre di DNA specifici per ciascuna molecola peptidica. Anticorpi e codici a barre ciclici, noti come DNA sintetico, contribuiscono poi rispettivamente a codificare l’identità del peptide e a segnare la sua posizione. Una volta codificato, il normale sequenziamento del DNA può rivelare l’identità e la posizione dell’amminoacido all’interno della catena peptidica.
«Questa è la svolta», ha detto Soh. «Possiamo sequenziare singole proteine a livello di singola molecola, richiedendo quantità di campione molto ridotte, sufficienti per arrivare fino alle singole cellule».
Questa sensibilità potrebbe rendere possibili studi sulla diversità cellulare con una risoluzione nanoscopica, facendo luce sul motivo per cui cellule apparentemente identiche si comportano in modo diverso in risposta a malattie come il cancro. Apre anche la possibilità di studiare proteine rare difficili da rilevare in campioni in massa, incluse molecole che potrebbero guidare la progressione della malattia ma che esistono solo in quantità minime.
Il dottor Soh indica l’immunoterapia come esempio: trattamenti come la terapia con cellule CAR‑T hanno rivoluzionato la cura del cancro modificando le cellule immunitarie dei pazienti affinché riconoscano e combattano le cellule tumorali. Un grande punto interrogativo è perché funzioni solo per alcuni tipi di tumori e per alcuni tipi di cellule.
Isolando le cellule immunitarie che rispondono positivamente ai trattamenti da quelle che non rispondono, utilizzando un’analisi a livello di singola proteina, gli scienziati possono comprendere più chiaramente perché certi trattamenti funzionano e come possano essere migliorati per massimizzarne l’efficacia nei singoli pazienti.
Dal banco di laboratorio al pulsante
La scoperta ha già suscitato interesse commerciale ed è stata concessa in licenza con l’intento di trasformare il processo di laboratorio in uno strumento facile da usare. L’obiettivo è, alla fine, permettere ai ricercatori di «inserire un campione, premere un pulsante e far partire tutto», ha detto Soh, proprio come oggi si preme un pulsante per avviare un sequenziatore di DNA.
Sebbene il metodo sia ancora nelle sue fasi iniziali e richiederà ottimizzazioni prima di una diffusione su larga scala, la sua capacità di potenzialmente analizzare miliardi di molecole proteiche provenienti da migliaia di cellule lo distingue dai precedenti tentativi di sequenziamento diretto delle proteine.
«Una volta che converti tutto in DNA, puoi sfruttare tutta la macchina naturale che si è evoluta per manipolare il DNA - allungare il DNA, copiare il DNA - tutte queste cose diventeranno possibili per elaborare le sequenze proteiche», ha detto Zheng.
Se avrà successo, l’approccio di “traduzione inversa” del team potrebbe diventare un nuovo pilastro della biologia molecolare, offrendo agli scienziati uno strumento a lungo mancante per leggere le molecole che svolgono il lavoro della vita, una cellula alla volta.
Gli ulteriori coautori di questo articolo sono la borsista postdoc Yujia Sun, lo studente laureando Linus Hein e il ricercatore Michael Eisenstein. Soh è anche membro di Stanford Bio-X, della Wu Tsai Human Performance Alliance, del Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI), dello Stanford Cancer Institute e del Wu Tsai Neurosciences Institute. Zheng, Sun e Soh sono indicati come co‑inventori in una domanda di brevetto correlata a questo lavoro, attualmente in attesa di approvazione presso lo U.S. Patent and Trademark Office. Questo lavoro è stato finanziato dalla Helmsley Charitable Trust e dal programma Wellcome Leap SAVE. Ha utilizzato il Vincent Coates Foundation Mass Spectrometry Laboratory e il Bruker Microflex MALDI TOF mass spectrometer e il sistema Thermo Exploris 240 LC/MS della Stanford University Mass Spectrometry, acquistati con fondi provenienti da Stanford C‑ShaRP.
Riferimenti:
(1) Single-molecule peptide sequencing through reverse translation of peptides into DNA
(2) Hyongsok Tom Soh
(3) Liwei Zheng
Descrizione foto: Proteine. - Credit: IA.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Bioengineers develop novel method to read proteins