Piastrine ingegnerizzate con la biologia sintetica / Engineering platelets with synthetic biology

Piastrine ingegnerizzate con la biologia sintetica / Engineering platelets with synthetic biology

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Tara Deans è Professoressa Associata presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università dello Utah (UT, USA), la cui ricerca si concentra sulla costruzione di circuiti genici sintetici per la riprogrammazione cellulare. Alla conferenza di quest'anno sulla ricerca e l'innovazione dell'European Laboratory Research and Innovation Group ( ELRIG ), abbiamo incontrato Tara per saperne di più sulla biologia sintetica e sulla sua ricerca sull'ingegneria piastrinica per colpire le cellule tumorali circolanti con l'obiettivo di prevenire le metastasi.  

Che cos'è la biologia sintetica?

La biologia sintetica consiste nell'assemblare diverse componenti genetiche, modificando la funzione della cellula. Questa è la base della riprogrammazione cellulare. Spesso, nel settore, si parla delle componenti genetiche come di pezzi di Lego, perché è un concetto un po' più concettuale per chi non è del settore. Se si spostano un pezzo di Lego verde ed uno di Lego giallo in direzioni diverse e si costruisce un pezzo sopra l'altro, si otterrà una funzione diversa nella cellula.

In cosa consistono i circuiti genetici?

In ingegneria elettrica, ad esempio, si usa una scheda madre a cui si aggiungono resistori e condensatori con lo scopo di accendere una lampadina. In biologia sintetica facciamo cose molto simili, solo che la nostra lampadina è l'espressione genica ed i nostri componenti sono DNA o RNA.

Prendiamo queste singole parti regolatrici dei geni e le ingegnerizziamo in un circuito più ampio, in modo che interagiscano tra loro. Spesso sono inducibili, quindi possono essere attivate e disattivate per darci un'espressione dinamica nelle cellule. Per farlo, possiamo aggiungere piccole molecole od aggiungere luce. Possiamo anche ingegnerizzare le cellule per una riprogrammazione autonoma, in cui le cellule eseguono le loro nuove funzioni in base al loro stato cellulare od all'ambiente. Nel mio intervento, ho mostrato che è possibile utilizzare promotori tessuto-specifici. Si tratta di promotori che si attivano solo quando la cellula è, nel mio caso, un megacariocita, che è la cellula che produce le piastrine. Questo ci permette di sapere quando la cellula è pronta a diventare un megacariocita nella sequenza temporale del differenziamento.

Quali tecniche utilizzi per creare circuiti genetici?

Possiamo usare le endonucleasi di restrizione per tagliare ed incollare insieme frammenti di DNA, oppure far sintetizzare le nostre parti di DNA dalle aziende. Esistono attivatori e repressori, che rispettivamente attivano e reprimono l'espressione genica. Utilizziamo queste parti regolatrici di base e le assemblamo per riprogrammare le cellule.

Perché sei interessato all'ingegneria piastrinica?

Siamo molto interessati a produrre piastrine in vitro perché svolgono una serie di funzioni importanti nell'organismo. La maggior parte delle persone ha più familiarità con la loro funzione coagulativa: quando si verifica un'emorragia, le piastrine si raccolgono, si uniscono e formano un coagulo, impedendo così l'emorragia, il che è molto importante. Ma le piastrine sono anche estremamente importanti per l'emostasi e per la regolazione del sistema immunitario e cardiaco. Sono cellule davvero, davvero importanti.

Che tipo di proprietà si possono ottenere modificando geneticamente i megacariociti?

Le stiamo modificando per colpire determinati tipi di cellule, ad esempio, siamo interessati alle cellule tumorali circolanti per cercare di mitigare le metastasi. Queste sono cellule che si staccano da un tumore ed entrano nel flusso sanguigno, per poi trovare una nuova sede, che è la base delle metastasi. Le piastrine sono naturalmente attratte dalle cellule tumorali circolanti e le ricoprono, quindi il sistema immunitario non può vederle, ed il sistema immunitario non ha idea di cosa stia succedendo. Non le vede affatto. Quindi le cellule tumorali circolanti attivano le piastrine per rilasciare proteine ​​che aiutano le cellule tumorali circolanti ad uscire dal vaso ed a raggiungere una nuova sede nel corpo.

Poiché le piastrine forniscono questo rivestimento nativo delle cellule tumorali circolanti, inseriamo tossine scisse all'interno delle nostre piastrine ingegnerizzate. Se inserissimo una tossina completa, ucciderebbe la piastrina, quindi dobbiamo dividerla a metà, il che si traduce in due popolazioni piastriniche separate. Queste proteine ​​sono davvero interessanti perché si uniscono spontaneamente nel citoplasma delle cellule tumorali circolanti e formano una proteina funzionante, in questo caso una tossina funzionante, che uccide le cellule tumorali circolanti. Abbiamo anche delle strutture all'esterno delle piastrine per colpire ulteriormente le cellule tumorali circolanti. Quando le piastrine si legano alle cellule tumorali circolanti, vengono attivate e rilasciano metà delle tossine nella cellula tumorale circolante, uccidendola una volta che la tossina si è aggregata.

Che consiglio daresti per presentare un intervento ad una conferenza?

Pratica, pratica, pratica.

Esercitatevi di fronte a pubblici diversi, non solo di fronte al vostro laboratorio: il vostro laboratorio sa cosa state facendo, ma il vostro pubblico in genere no. Non c'è niente di male nel far sentire il vostro pubblico intelligente, quindi va bene dire loro qualcosa che probabilmente sanno, perché li terrà coinvolti e interessati, tipo: "Oh mio Dio, lo so!". Poi, introducete i punti che sono meno noti al pubblico.

Porta con te il tuo pubblico. Non buttarti da una scogliera e sperare che ti seguano.

Cercate di incontrare persone. Ricordo che quando ero giovane e tirocinante, ero terrorizzato all'idea di parlare con persone affermate nel settore, ma tutti sono disponibili e ti parlano volentieri, soprattutto nella biologia sintetica. Quindi incoraggio le persone ad avvicinarsi a ricercatori affermati nel settore.

ENGLISH

Tara Deans is an Associate Professor at the University of Utah (UT, USA) in the Biomedical Engineering Department whose research focuses on building synthetic gene circuits to reprogram cells. At this year’s European Laboratory Research and Innovation Group’s (ELRIG) Research and Innovation conference (29–30 March 2023; Cambridgeshire, UK), we caught up with Tara to learn more about what synthetic biology is and her research engineering platelets to target circulating tumor cells with the aim of preventing metastasis.  

What is synthetic biology?

Synthetic biology involves putting different genetic parts together, which will change the function of the cell. This is the basis of reprogramming cells. Oftentimes in the field, people talk about genetic parts as being Lego pieces because it’s a little bit more conceptual for people outside of the field. If you move a green Lego piece and a yellow Lego piece in different orientations and even build it on top of other ones, you will get a different function in the cell.

What do genetic circuits consist of?

In electrical engineering, you have a motherboard to which you add resistors and capacitors with the goal of turning on a lightbulb, for example. We do some very similar things in synthetic biology, except our light bulb is gene expression and our parts are DNA or RNA.

We take these individual gene regulatory parts and engineer them into a larger circuit, so these parts interact with each other. Oftentimes they are inducible, so they can be turned off and turned on to give us dynamic expression in cells. To do that, we can either add small molecules or add light. We can also engineer cells to have autonomous reprogramming, where cells execute their new functions based on their cell state or environment. In my talk, I showed that you can use tissue-specific promoters. These are promoters that only turn on when the cell is, in my case, a megakaryocyte, which is the cell that makes platelets. This lets us know when the cell is ready to become a megakaryocyte in the timeline of differentiation.

What techniques do you use to create genetic circuits?

We can use restriction endonucleases to cut and paste DNA pieces together, or have our DNA parts synthesized by companies. There are activators and repressors, which activate and repress gene expression respectively. We use these basic regulatory parts and piece them together to reprogram cells.

Why are you interested in engineering platelets?

We are very interested in making platelets in vitro because platelets have a whole slew of important functions in the body. Most people are more familiar with their clotting function – when you start bleeding, platelets collect and stick together and form a clot so you don’t bleed out – which is very important, but platelets are also extremely important in hemostasis and in regulating the immune system and the cardiac system. They are really, really important cells.

What kind of properties can you engineer megakaryocytes to have?

We are engineering them to target certain cell types, for example, we are interested in circulating tumor cells to try and mitigate metastasis. These are cells that come off of a tumor and go into the bloodstream and then they end up finding a new home, which is the basis of metastasis. Platelets are naturally attracted to circulating tumor cells and they cover them, so the immune system can’t see them, and the immune system has no idea this is going on. They don’t see them at all. Then the circulating tumor cells activate the platelets to release proteins that help the circulating tumor cells to break through from the vessel into a new location in the body.

Because platelets provide this native covering of the circulating tumor cells, we are putting split toxins inside of our engineered platelets. If we put in a full toxin, it would kill the platelet, so we have to split it in half, this results in two separate platelet populations. These proteins are really interesting because they spontaneously come together in the cytoplasm of circulating tumor cells and form a functioning protein, in this case a functioning toxin, which kills the circulating tumor cells. We also have things on the outside of the platelets to further target circulating tumor cells. When the platelets bind to the circulating tumor cells, they are activated and release their half of the toxins into the circulating tumor cell, killing it once the toxin comes together.

What advice do you have for presenting at a conference?

Practice, practice, practice.

Practice in front of different audiences, not just in front of your lab – your lab knows what you are doing, but your audience typically doesn’t. There’s nothing wrong with making your audience feel smart, so it’s okay to tell them something that they probably know because it will keep them engaged and interested like, “Oh my gosh, I know that!” Then, lead into the points that are more unknown to the audience.

Bring your audience with you. Don’t just jump off a cliff and hope they follow.

Try to meet people. I remember when I was young and a trainee, I was terrified to talk to the established people in the field, but everyone is approachable and will talk to you, certainly in synthetic biology. So I encourage people to approach researchers who are established in the field.

Da:

https://www.biotechniques.com/cancer-research/engineering-platelets-with-synthetic-biology/