Un minuscolo rotore del DNA consente ai microscopi di tracciare la trascrizione dei geni una coppia di basi alla volta

Gli scienziati del Salk Institute hanno sviluppato una tecnica innovativa che utilizza l'origami del DNA per osservare i movimenti molecolari con dettagli senza precedenti, consentendo ai ricercatori di tracciare la trascrizione genica a livello di singole coppie di basi per periodi prolungati. Questa innovazione, nota come ORBIT (Optical Readout of Base-pair Interactions via Tagging), consente alla microscopia a fluorescenza di monitorare l'attività della RNA polimerasi, un enzima cruciale responsabile della trascrizione delle informazioni genetiche, mentre legge lungo i filamenti del DNA.

Al centro del metodo c'è una strategia di "ciclo del colorante" che riempie continuamente i tag fluorescenti attaccati alle strutture del DNA. La microscopia fluorescente tradizionale affronta limitazioni dovute al graduale attenuazione dei marcatori fluorescenti nel tempo, che limita le finestre di osservazione a pochi secondi. Progettando un sistema che mantiene un'illuminazione costante, il team di Salk ha esteso queste misurazioni a durare diverse ore. Questa svolta consente la visualizzazione del movimento della polimerasi dell'RNA mentre attraversa il DNA, rivelando il suo comportamento a una risoluzione precedentemente irraggiungibile.

La tecnica si basa sui principi dell'origami del DNA, un metodo che sfrutta le proprietà intrinseche del DNA per costruire nanostrutture complesse. Queste strutture si formano attraverso l'auto-assemblaggio di filamenti di DNA, guidati dall'accoppiamento specifico di nucleotidi, adenina con timina e citosina con guanina. Questo processo consente la creazione di forme e modelli complessi su scala nanometrica, offrendo un livello di precisione che le tecniche di fabbricazione tradizionali non possono eguagliare. Pallav Kosuri, assistente professore alla Salk e ricercatore principale del progetto, ha sottolineato l'importanza di studiare il movimento molecolare oltre alle reazioni chimiche.

"Se non sai come qualcosa si muove, non sai cosa fa", ha spiegato. Il lavoro del suo team mira a colmare il divario tra i processi chimici ben mappati all'interno delle cellule e gli aspetti meccanici meno compresi della funzione molecolare. ORBIT impiega una combinazione di origami del DNA e etichettatura fluorescente per creare nanostrutture che agiscono sia come impalcature che come sensori. Un componente della struttura, denominato stelo del cavatappi, si lega alla polimerasi RNA, mentre un'altra parte, un manico a forma di X, insieme a una sonda fluorescente, amplifica il movimento dell'enzima mentre interagisce con il DNA.

Questa impostazione traduce efficacemente le azioni meccaniche dell'enzima in cambiamenti osservabili nell'intensità della luce, rendendo possibile seguire il processo di trascrizione in tempo reale. Le implicazioni di questa ricerca si estendono oltre la scienza di base. Comprendere come funziona la polimerasi RNA a un livello così dettagliato potrebbe informare lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche per le malattie legate alla trascrizione genetica difettosa. Inoltre, il metodo apre strade per esplorare altre interazioni molecolari che si verificano durante i processi cellulari, portando potenzialmente a progressi nei sistemi di somministrazione dei farmaci e negli strumenti diagnostici.

Il lavoro di Kosuri con l'origami del DNA ha già attirato l'attenzione oltre i circoli accademici. Ha collaborato con l'ingegnere Mark Rober per costruire la più piccola pistola Nerf del mondo utilizzando strutture basate sul DNA, creando un video educativo che ha attirato milioni di visualizzazioni online. Tali progetti evidenziano la versatilità dell'origami del DNA e il suo potenziale per coinvolgere un pubblico più ampio nell'esplorazione scientifica.

Gli studi futuri potrebbero concentrarsi sull'applicazione della tecnica a diversi tipi di enzimi e ambienti cellulari, espandendo la sua utilità sia nella ricerca fondamentale che nei contesti biomedici applicati.