I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare l'espressione genica con una precisione senza precedenti utilizzando la luce. Questo progresso, pubblicato su Nature Chemistry, introduce un fotoswitch reversibile che ha come bersaglio il DNA G-quadruplex [gee-quad-ru-plex]. Questa innovazione molecolare potrebbe portare a tecnologie di regolazione genica dinamiche e non invasive.
La ricerca si concentra sulle strutture del DNA G-quadruplex (G4), configurazioni uniche a quattro filamenti presenti in sequenze ricche di guanina all'interno del genoma. I G4 sono coinvolti in processi cellulari chiave come la trascrizione e la replicazione. Gli scienziati hanno progettato una molecola fotoswitchabile che si lega selettivamente a queste strutture G4.
Questo fotoswitch modula la conformazione dei G4 in risposta a specifiche lunghezze d'onda della luce. Ciò consente il controllo spaziale e temporale sull'espressione genica. I ricercatori possono efficacemente 'accendere' o 'spegnere' l'attività genica nelle cellule viventi illuminando con la luce del colore appropriato.
Il fotoswitch si basa su derivati dell'azobenzene [azo-ben-zene], molecole note per la loro isomerizzazione reversibile indotta dalla luce. Il team ha ottimizzato il framework chimico per garantire l'affinità di legame e la specificità per il DNA G4. Le lunghezze d'onda della luce nel range visibile provocano trasformazioni strutturali senza causare danni fotografici significativi alle cellule.
La validazione sperimentale ha dimostrato che l'irradiazione con una lunghezza d'onda della luce stabilizza la struttura G4, impedendo il legame del fattore di trascrizione e downregolando l'espressione del gene bersaglio. Al contrario, l'esposizione a una lunghezza d'onda alternativa induce l'isomerizzazione del fotoswitch, rilassando la conformazione G4 e ripristinando la trascrizione genica. Questo controllo a doppia lunghezza d'onda consente una precisa regolazione genica.
La capacità di modulare da remoto e in modo reversibile geni specifici è promettente per lo sviluppo di terapie geniche di nuova generazione. I geni associati alla malattia potrebbero essere presi di mira e silenziati quando necessario e riattivati man mano che le condizioni del paziente si evolvono. Ciò potrebbe essere ottenuto tramite impulsi luminosi applicati esternamente.
Il team ha progettato fotoswitch reattivi alla luce rossa e nel vicino infrarosso, lunghezze d'onda che penetrano più in profondità nei tessuti. Ampi test di tossicità hanno confermato che i composti fotoswitch e i loro cicli di attivazione della luce non inducono citotossicità o instabilità genomica. Ciò garantisce che il sistema possa essere utilizzato in sicurezza in contesti sperimentali e clinici.
La strategia di progettazione modulare facilita un'ulteriore funzionalizzazione e messa a punto del fotoswitch. Le iterazioni future potrebbero incorporare ligandi di targeting o reporter fluorescenti. Gli autori prevedono che questa tecnologia sarà integrata con gli approcci optogenetici e nanotecnologici esistenti per una modulazione genetica potenziata.