Dynamo, una tecnica per prevedere il percorso cellulare nel tempo, crea i presupposti per controllarne lo sviluppo e definire eventuali interventi di riprogrammazione
di MIT Technology Review Italia
Come riportato da “MIT News”. il professore di biologia del MIT Jonathan Weissman, il ricercatore Xiaojie Qiu e i collaboratori della University of Pittsburgh School of Medicine hanno costruito un framework di apprendimento automatico in grado di definire le equazioni matematiche che descrivono la traiettoria di una cellula da uno stato a un altro, come il suo sviluppo da una cellula staminale a uno dei diversi tipi di cellule mature.
La struttura, chiamata “dynamo”, può anche essere utilizzata per fare luce sul funzionamento del cocktail specifico di attività genica che guida i cambiamenti nella cellula. I ricercatori potrebbero potenzialmente utilizzare queste intuizioni per manipolare le cellule affinché prendano un percorso anziché un altro, un obiettivo comune nella ricerca biomedica e nella medicina rigenerativa.
In un articolo apparso su “Cell”, gli autori spiegano che il loro obiettivo è “mappare come una cellula cambia in relazione all’interazione dei geni regolatori con la stessa precisione con cui un astronomo può tracciare il movimento di un pianeta in relazione alla gravità”.
Dynamo permette di osservare i cambiamenti temporali nella quantità di RNA, il prodotto misurabile dell’espressione genica. Tuttavia, il calcolo delle modifiche nella quantità di RNA dai dati di sequenziamento di una singola cellula è impegnativo, perché il sequenziamento misura l’RNA solo una volta.
Per aggirare questa difficoltà, i ricercatori hanno utilizzato un metodo sperimentale sviluppato di recente che contrassegna il nuovo RNA per distinguerlo dal vecchio e lo hanno combinato con sofisticati modelli matematici, per superare i limiti degli studi precedenti.
La sfida successiva è stata quella di passare dall’osservazione delle cellule in momenti distinti a un’immagine continua di come cambiano le cellule perché una volta che si sa da dove parte una cellula, si può definire il percorso che seguirà. Come spiega Weissman, con una funzione continua, si possono approfondire aspetti con modalità prima sconosciute. Per esempio, è possibile rispondere a domande del tipo: se ho cambiato un fattore di trascrizione, come cambierà l’espressione degli altri geni?
I ricercatori hanno confermato le previsioni sul destino cellulare di dynamo grazie a un sistema basato sul confronto con cellule clonate, che condividono la stessa genetica e discendenza. Uno dei due cloni, quasi identici, è stato sequenziato mentre l’altro continua a differenziarsi.
I ricercatori sperano che dynamo possa non solo aiutarli a capire come le cellule passano da uno stato all’altro, ma anche a esercitare un controllo sull’intero percorso. A tal fine, dynamo include strumenti per simulare il modo in cui le cellule cambieranno in base a diverse manipolazioni e un metodo per trovare il percorso più efficiente da uno stato cellulare all’altro.
Questi strumenti rendono potenzialmente in grado i ricercatori di riprogrammare in modo ottimale qualsiasi tipo di cellula in un altro, una sfida fondamentale nella biologia delle cellule staminali e nella medicina rigenerativa, nonché di generare ipotesi su come altri cambiamenti genetici altereranno il destino delle cellule. Il campo di applicazioni è variegato.
“Le equazioni che descrivono come i geni all’interno di una cellula si regolano a vicenda”, spiega uno dei coautori, “offrono una cornice computazionale per capire, per esempio, come una cellula cancerosa potrebbe rispondere a varie combinazioni di farmaci che sarebbero impossibile da testare sperimentalmente”.
(rp)
