Come lo studio del DNA può aiutare a curare anche la malaria

Per analizzare il genoma o le caratteristiche genetiche di un organismo vivente, gli scienziati in genere si affidano a campioni di milioni di cellule. Il problema è che il DNA in ciascuna delle nostre cellule non è identico.

Fino a poco tempo fa, la quantità di DNA che poteva essere estratta da una singola cellula non poteva fornire abbastanza materiale per l’analisi genetica, ma i progressi nella genomica a una cellula potrebbero essere la chiave per risolvere alcuni dei misteri di malattie come il cancro, che è il risultato di danni alle singole cellule. Potrebbe anche aiutare i ricercatori a comprendere meglio sistemi corporei complessi come il cervello e il sistema immunitario che sono composti da una varietà di tipi di cellule, ognuno con le proprie caratteristiche genetiche uniche.

Plasmodium falciparum, il parassita che causa la malaria nell’uomo, forma sporgenze chiamate “manopole” sulla superficie del suo globulo rosso ospite che gli consentono di evitare la distruzione e causare infiammazione. Immagine credit: National Institutes of Health

Come mezzo per risolvere i problemi posti dalla genomica a una cellula, un processo chiamato amplificazione di interi geni sta fornendo ai ricercatori modi per generare quantità sufficienti di DNA necessarie per l’analisi replicando il materiale genetico estratto da ogni cellula. Il processo non è privo di sfide, ma di un articolo di Shiwei Liu, dottorando in biologia al College of Arts & Sciences dell’Università della Virginia; Jennifer L. Güler, professoressa di biologia UVA; e altri, pubblicati di recente sulla rivista Genome Medicine, delineano un approccio all’amplificazione dell’intero genoma derivante da una collaborazione con i neuroscienziati della Scuola di Medicina uva che potrebbe fornire un quadro efficace per creare trattamenti nuovi e più efficaci per una varietà di malattie.

Güler e Liu studiano il parassita protozoico unicellulare, chiamato Plasmodium, che causa la malaria, una malattia che uccide quasi mezzo milione di persone ogni anno. Non ci sono vaccini efficaci nell’uso diffuso per la malattia e uno dei problemi che la comunità medica deve affrontare è che l’organismo può sviluppare rapidamente resistenza ai farmaci che sono stati sviluppati per spazzarla via. Il team di Güler ha lavorato per comprendere i meccanismi cellulari che gli permettono di sopravvivere e come la diversità genetica all’interno della popolazione parassitare influisce sulla sua resistenza ai farmaci.

“Se li prendi a livello di una singola cellula, iniziamo ad apprezzare che le singole cellule in una popolazione di cellule hanno effettivamente piccole differenze, e queste piccole differenze potrebbero non essere evidenti, ma possono avere un impatto se interrompono il funzionamento dei farmaci o di altri trattamenti“, ha detto Güler.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno trovato il modo di catturare ed estrarre il DNA da singole cellule, il che consente di identificare le piccole ma critiche differenze tra le singole cellule. Tuttavia, il processo richiede una serie di passaggi che creano ulteriori problemi per i ricercatori che tentano di amplificare il DNA, un processo che comporta la riproduzione di abbastanza copie identiche di quel DNA per essere in grado di identificare, o sequenziare, le sue parti componenti. Il processo di amplificazione è particolarmente impegnativo per i ricercatori di malaria.

Dato che il parassita del Plasmodium vive nel flusso sanguigno umano, Güler e il suo team avevano anche bisogno di un metodo che consentisse loro di amplificare preferenzialmente il genoma del protozoo rispetto al suo ospite, un problema unico nello studio degli organismi che vivono all’interno delle cellule di altri organismi.

La soluzione è arrivata grazie alla collaborazione con Mike McConnell, un neuroscienziato che lavora come ricercatore presso il Lieber Institute for Brain Development Maltz Research Laboratories di Baltimora. Güler incontrò McConnell quando lavorò nel Dipartimento di Biochimica e Genetica Molecolare della Uva School of Medicine.

McConnell è specializzato nell’analisi del genoma a una cellula per le cellule cerebrali umane e aveva già sviluppato strategie per catturare singole cellule. Aveva anche lavorato con Ian Burbulis, un assistente professore di biochimica e genetica molecolare all’UVA, per utilizzare un metodo chiamato cicli multipli di amplificazione basati sulla ricottura e looping, o MALBAC, per risolvere alcuni dei problemi inerenti al processo di amplificazione del genoma a singola cellula.

Güler riconobbe le somiglianze nelle sfide che stavano affrontando, e il suo team fu in grado di utilizzare il metodo di McConnell per catturare singole cellule e fu anche in grado di adattare il metodo MALBAC per l’uso nella riproduzione accurata del DNA del Plasmodium limitando al contempo la contaminazione che può essere causata dal DNA del suo ospite.

“La collaborazione con il laboratorio di Mike McConnell ha contribuito a creare le basi per il nostro progetto di sequenziamento a celulla singola. Non solo hanno fornito il protocollo standard originale dell’intero metodo di amplificazione del genoma chiamato MALBAC, ma hanno anche offerto istruzioni per condurre i passaggi essenziali della pipeline di sequenziamento a una cellula, tra cui l’isolamento a una cellula, l’amplificazione dell’intero genoma e l’analisi dei dati“, ha detto Liu.

“Avevamo elaborato tutti i passaggi di biologia molecolare, gli enzimi da usare e come analizzarlo e cose del genere, e abbiamo apportato alcuni miglioramenti per migliorarlo, e Jenny è stata in grado di iniziare da lì“, ha detto McConnell. Diede credito a Güler e Liu per aver visto il potenziale offerto dalla sua ricerca.

“Jenny e Shiwei hanno fatto il lavoro pesante per prendere ciò che avevamo fatto e farlo funzionare per la malaria“, ha detto McConnell.

“Penso che la nostra collaborazione con il suo laboratorio fin dall’inizio del suo progetto sia stata assolutamente strumentale perché potevamo andare nel suo laboratorio e imparare cosa stavano facendo invece di partire da ground zero, quindi abbiamo iniziato a un livello molto più alto“, ha detto Güler. “È stato uno sforzo di squadra che ha finito per avere molto successo perché avevamo quel vantaggio.”

“Gran parte di questa tecnologia a una cellula è focalizzata sulle cellule umane, ed è fantastico; vogliamo saperne di più sulla salute umana“, ha detto Güler. “Ma quando ci sono questi microbi o altri organismi che hanno genomi più impegnativi, dobbiamo essere in grado di applicare questi metodi anche a quei genomi. Questo è uno dei primi studi che ci suggerisce di superare queste sfide.

“È un inizio per noi capire la biologia del parassita della malaria, ma è anche un inizio per comprendere altri organismi con genomi impegnativi.”