Tecnica di imaging rivoluzionario chiamato microscopia volumetrica del DNA. Costruisce intricate mappe 3D di materiale genetico etichettando e monitorando le interazioni molecolari, creando viste molto sofisticate prima all'interno di organismi come gli embrioni di pesce zebra
Tecnologia per creare una mappa spaziale dell'espressione genica di un intero organismo.
Gli approcci di sequenziamento genetico standard possono raccontarti molto sul trucco e l'attività genetica in un campione, come un pezzo di tessuto o goccia di sangue. Ma non ti dicono dove si trovavano sequenze genetiche specifiche all'interno di quel campione o la loro relazione con altri geni e molecole.
I ricercatori dell'University of Chicago stanno sviluppando una nuova tecnologia che supera queste sfide. Etichettando ogni DNA o molecola di RNA e consentendo a tag vicini di interagire, la tecnica costruisce una rete molecolare che codifica le loro posizioni relative, creando una mappa spaziale del materiale genetico. Questa tecnica, chiamata microscopia volumetrica del DNA, crea un'immagine 3D di un intero organismo dall'interno fuori, dando agli scienziati una visione senza precedenti delle sequenze genetiche e dove si trovano, fino alle singole cellule.
Il dottor Joshua Weinstein (1), assistente professore di medicina e ingegneria molecolare a Uchicago, ha trascorso più di 12 anni a sviluppare microscopia al DNA, finanziato in parte dal National Institutes of Health e dalla National Science Foundation. In un nuovo documento pubblicato su Nature Biotechnology (2), Weinstein e lo studioso post-dottorato Nianchao Qian hanno usato la tecnologia per creare un'immagine di DNA completa di un embrione zebrafish, un organismo modello comune per lo studio dello sviluppo e della neurobiologia.
«È un livello di biologia che nessuno ha mai visto prima», ha detto Weinstein. «Essere in grado di vedere quel tipo di visione della natura all'interno di un campione è esaltante».
A differenza dei microscopi tradizionali che usano luce o lenti, la microscopia al DNA crea immagini calcolando le interazioni tra le molecole, fornendo un nuovo modo per visualizzare il materiale genetico in 3D. Innanzitutto, vengono aggiunti a cellule tag di sequenza di DNA brevi chiamati identificatori molecolari unici (UMIs). Si attaccano alle molecole di DNA e RNA e iniziano a fare copie di se stessi. Questo inizia una reazione chimica che crea nuove sequenze, chiamate identificatori di eventi unici (UEIs), che sono unici per ogni abbinamento.
Sono questi accoppiamenti che aiutano a creare la mappa spaziale di dove si trova ogni molecola genetica. Le coppie UMI che sono vicine interagiscono più frequentemente e generano più UEIs di quelle che sono più distanti. Una volta che il DNA e l'RNA sono sequenziati, un modello computazionale ricostruisce le loro posizioni originali analizzando i collegamenti fisici tra i tag UMI, creando una mappa spaziale dell'espressione genica.
Weinstein confronta la tecnica con l'utilizzo dei dati dei telefoni cellulari che si sciolgono per determinare la posizione delle persone in una città. Conoscere il numero di cellulare o l'indirizzo IP di ogni persona è come conoscere la sequenza genetica di una molecola, ma se riesci a stratificare le loro interazioni con altri telefoni nelle vicinanze, puoi anche elaborare le loro posizioni.
«Possiamo farlo con telefoni cellulari e persone, quindi perché non farlo con molecole e cellule», ha detto. «Questo trasforma l'idea di imaging sulla sua testa. Invece di fare affidamento su un apparato ottico per far luce, possiamo usare la biochimica e il DNA per formare una rete enorme tra molecole e codificare le loro vicinanze reciproche».
La microscopia al DNA non si basa sulla conoscenza preliminare del genoma o della forma di un campione, quindi potrebbe essere utile per comprendere l'espressione genetica in contesti unici e sconosciuti. I tumori generano innumerevoli nuove mutazioni genetiche, ad esempio, quindi lo strumento sarebbe in grado di mappare il microambiente tumorale e dove interagisce con il sistema immunitario. Le cellule immunitarie interagiscono tra loro e rispondono ai patogeni in modi specifici del contesto, quindi la microscopia al DNA potrebbe aiutare a svelare quei meccanismi genetici. Tali applicazioni potrebbero a loro volta guidare un'immunoterapia più precisa per i vaccini personalizzati di cancro.
«Questa è la base critica per poter avere informazioni veramente complete sull'insieme di cellule uniche all'interno del sistema linfatico o del tessuto tumorale», ha affermato Weinstein. «C'è stato ancora questo grande divario nella tecnologia per averci permesso di comprendere il tessuto idiosincratico, ed è quello che stiamo cercando di riempire qui».
Ulteriori finanziamenti per lo studio, “Spatial-transcriptomic imaging of an intact organism using volumetric DNA microscopy”, è stato fornito dalla Damon Runyon Foundation e dalla Moore Foundation.
Riferimenti:
(1) Joshua Weinstein
(2) Spatial transcriptomic imaging of an intact organism using volumetric DNA microscopy
Descrizione foto: Josh Weinstein ha sviluppato una nuova tecnologia per creare una mappa spaziale dell'espressione genica per un intero organismo. - Credit: University of Chicago.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: DNA microscope creates 3D images of organisms from the inside out