Ingegneri del MIT hanno creato circuiti genetici in cellule batteriche che non solo sono in grado di eseguire funzioni logiche, ma che ricordano anche i risultati, in quanto codificati nel DNA della cellula e perciò in grado di essere trasmessi per dozzine di generazioni.
Questi circuiti, descritti nell'edizione del 10 febbraio di Nature Biotechnology e sul sito dell'ateneo, potrebbero essere usati per dare vita a sensori ambientali a lungo termine, soluzioni di controllo per la bioproduzione o per programmare cellule staminali in modo che si differenzino creando altri tipi di cellule. Queste però sono solo alcune delle possibili applicazioni.
Finora nella maggior parte dei circuiti logici cellulari il prodotto finale era generato solo in presenza degli stimoli originali: una volta scomparsi, il circuito si spegneva in attesa di un altro stimolo. Lu e i suoi colleghi hanno scelto di realizzare un circuito alterabile dallo stimolo originale in modo irreversibile, creando una memoria permanente dell'evento.
Per fare questo, hanno lavorato su circuiti di memoria che avevano già progettato nel 2009. Tali circuiti dipendono enzimi noti come ricombinasi, che possono ritagliare tratti di DNA, capovolgerli o inserirli. Lu ha progettato i nuovi circuiti in modo che la funzione di memoria fosse integrata nel gate logico stesso.
Laddove in un tipico gate AND cellulare i due input necessari attivano proteine che, insieme, accendono l'espressione di un gene di uscita, nei nuovi circuiti gli input alterano stabilmente regioni di DNA che controllano la produzione della proteina fluorescente verde (green fluorescent protein, GFP).
Queste regioni, conosciute come promotori, reclutano le proteine ??cellulari responsabili per la trascrizione del gene GFP all'interno del messaggero RNA, il quale poi dirige l'assemblaggio delle proteine??. In un circuito descritto nell'articolo, ad esempio, due sequenze di DNA chiamate terminatori sono state interposte tra il promotore e il gene di uscita (il GFP, in questo caso).
Ognuno di questi terminatori inibisce la trascrizione del gene di uscita e può essere capovolto da un differente enzima ricombinasi, rendendo il terminatore inattivo. Ognuno dei due input del circuito attiva la produzione di uno degli enzimi ricombinasi necessari a capovolgere un terminatore. In assenza dei due input, la produzione di GFP viene bloccata. Se entrambi sono presenti, i terminatori sono capovolti e questo porta alla loro disattivazione e la susseguente produzione di GFP.
Una volta che le sequenze del terminatore DNA sono capovolte, non possono tornare al loro stato originale - la memoria dell'attivazione del gate logico è archiviata in modo permanente nella sequenza del DNA. Inoltre la sequenza è stata tramandata per almeno 90 generazioni. Gli scienziati che vogliono leggere la storia della cellula possono sia misurare la sua uscita GFP, che sarà continuamente attiva, oppure se la cellula è morta, potranno recuperare la memoria sequenziando il DNA.
Usando questa strategia di progettazione, i ricercatori possono creare gate logici a due ingressi e implementare sistemi logici sequenziali. "È davvero semplice scambiare cose all'interno e all'esterno. Se iniziate con una libreria di parti standard, potrete usare una reazione per assemblare qualsiasi tipo di funzione che desiderate", ha dichiarato Timothy Lu del MIT.
Tali circuiti potrebbero anche essere usati per creare un convertitore digitale-analogico. Questo tipo di circuito prende ingressi digitali - ad esempio, la presenza o l'assenza di singole sostanze chimiche - e li converte in un'uscita analogica, che può essere un intervallo di valori, quali i livelli continui di espressione genica.
Se la cellula ha due circuiti, ognuno dei quali esprime GFP a differenti livelli quando sono attivati da uno specifico input, questi input possono produrre quattro differenti livelli di uscita analogica. Inoltre, misurando quanto GFP è stato prodotto, i ricercatori possono capire quale degli ingressi erano presenti.