Questa immagine mostra l'enzima Taq nella sua configurazione aperta in attesa dell'arrivo di una nuova base chimica in modo da poter provare ad adattarlo a una catena di DNA. Max Strul / Laboratorio UCI e Lorena Beese / Duke University

Irvine, California, 11 marzo 2022 —  In un articolo pubblicato oggi su Sciences Advances , i ricercatori del Dipartimento di Chimica e del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università della California, Irvine hanno rivelato nuovi dettagli su un enzima chiave che effettua il sequenziamento del DNA possibile. La scoperta rappresenta un balzo in avanti nell'era della medicina personalizzata, quando i medici saranno in grado di progettare trattamenti basati sui genomi dei singoli pazienti.

"Gli enzimi rendono possibile la vita catalizzando trasformazioni chimiche che altrimenti richiederebbero troppo tempo per un organismo", ha affermato Greg Weiss, professore di chimica dell'UCI e co-autore corrispondente del nuovo studio. "Una delle trasformazioni a cui siamo davvero interessati è essenziale per tutta la vita sul pianeta: è il processo mediante il quale il DNA viene copiato e riparato".

La molecola studiata dal team guidato dall'UCI è un enzima chiamato Taq, un nome derivato dal microrganismo in cui è stato scoperto per la prima volta, il Thermos aquaticus . La molecola studiata dal team guidato dall'UCI è un enzima chiamato Taq, un nome derivato dal microrganismo in cui è stato scoperto per la prima volta, il Thermos aquaticus. Taq replica il DNA. La reazione a catena della polimerasi, la tecnica con migliaia di usi dalla medicina legale ai test PCR per rilevare COVID-19, sfrutta Taq.

Il team guidato dall'UCI ha scoperto che Taq, poiché aiuta a creare nuove copie del DNA, si comporta in modo completamente diverso da ciò che gli scienziati pensavano in precedenza. Invece di comportarsi come una macchina ben oliata ed efficiente che sforna continuamente copie del DNA, l'enzima, ha spiegato Weiss, si comporta come un acquirente indiscriminato che percorre i corridoi di un negozio, gettando tutto ciò che vede nel carrello della spesa.

"Invece di selezionare attentamente ogni pezzo da aggiungere alla catena del DNA, l'enzima cattura dozzine di disadattati per ogni pezzo aggiunto con successo", ha affermato Weiss. "Come un acquirente che controlla gli articoli da una lista della spesa, l'enzima testa ogni parte contro la sequenza di DNA che sta cercando di replicare."

È risaputo che Taq rifiuta tutti gli articoli sbagliati che finiscono nel suo proverbiale carrello della spesa: quel rifiuto è la chiave, dopo tutto, per duplicare con successo una sequenza di DNA. Ciò che sorprende nel nuovo lavoro è la frequenza con cui Taq rifiuta le basi corrette. "È l'equivalente di un acquirente che afferra una mezza dozzina di lattine identiche di pomodori, le mette nel carrello e le prova tutte quando è necessaria una sola lattina".

Il messaggio da portare a casa: Taq è molto, molto meno efficiente nel fare il suo lavoro di quanto potrebbe essere.

La scoperta è un passo avanti verso la rivoluzione dell'assistenza medica, ha spiegato Philip Collins, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UCI, co-autore corrispondente della nuova ricerca. Questo perché se gli scienziati capiscono come funziona Taq, allora possono capire meglio quanto sia veramente accurato il genoma sequenziato di una persona.

"Ogni singola persona ha un genoma leggermente diverso", ha detto Collins, "con diverse mutazioni in luoghi diversi. Alcuni di questi sono responsabili di malattie e altri non sono responsabili di assolutamente nulla. Per capire davvero se queste differenze sono importanti o se l'assistenza sanitaria, per la corretta prescrizione dei farmaci, è necessario conoscere le differenze con precisione".

"Gli scienziati non sanno come questi enzimi raggiungano la loro precisione", ha affermato Collins, il cui laboratorio ha creato i dispositivi su scala nanometrica per studiare il comportamento di Taq. “Come garantisci a un paziente di aver sequenziato accuratamente il suo DNA quando è diverso dal genoma umano accettato? Il paziente ha davvero una mutazione rara", chiede Collins, "o l'enzima ha semplicemente commesso un errore?"

"Questo lavoro potrebbe essere utilizzato per sviluppare versioni migliorate di Taq che perdono meno tempo durante la creazione di copie del DNA", ha affermato Weiss.

Gli impatti del lavoro non si fermano alla medicina; ogni campo scientifico che si basa su un sequenziamento accurato del DNA trarrà vantaggio da una migliore comprensione di come funziona Taq. Nell'interpretare le storie evolutive utilizzando il DNA antico, ad esempio, gli scienziati si basano su ipotesi su come il DNA cambia nel tempo e tali ipotesi si basano su un accurato sequenziamento genetico.

"Siamo entrati nel secolo dei dati genomici", ha detto Collins. "All'inizio del secolo abbiamo svelato il genoma umano per la prima volta e stiamo iniziando a capire gli organismi, le specie e la storia umana con queste nuove informazioni provenienti dalla genomica, ma quelle informazioni genomiche sono utili solo se sono accurate".

I coautori di questo studio includono Mackenzie Turvey, Ph.D., ex studentessa laureata UCI in fisica e astronomia, e Kristin Gabriel, Ph.D., ex studentessa laureata UCI in biologia molecolare e biochimica. Questa ricerca è stata finanziata dal National Human Genome Research Institute del NIH.

Informazioni sull'Università della California, Irvine:  Fondata nel 1965, l'UCI è il membro più giovane della prestigiosa Association of American Universities ed è classificata tra le prime 10 università pubbliche della nazione da  US News & World Report . Il campus ha prodotto cinque premi Nobel ed è noto per i suoi risultati accademici, la ricerca principale, l'innovazione e la mascotte del formichiere. Guidato dal cancelliere Howard Gillman, l'UCI ha più di 36.000 studenti e offre 224 corsi di laurea. Si trova in una delle comunità più sicure ed economicamente vivaci del mondo ed è il più grande datore di lavoro di Orange County, contribuendo con 7 miliardi di dollari all'anno all'economia locale e 8 miliardi di dollari in tutto lo stato. Per ulteriori informazioni su UCI, visitare www.uci.edu .

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