Bioluminescenza e Biotecnologia: 

quando la natura illumina la ricerca scientifica – Parte 2

Nella prima parte di questa serie di articoli dedicati alla bioluminescenza e alla biochimica, abbiamo scoperto in che modo avviene la bioluminescenza e come viene usata nel regno animale.

I modi in cui la bioluminescenza viene utilizzata in natura può certamente essere d'ispirazione per la ricerca scientifica. È infatti estremamente vantaggioso essere in grado di monitorare varie molecole all'interno di cellule o sistemi che altrimenti sarebbero invisibili.

In questo secondo articolo, scopriamo come la bioluminescenza può aiutare la ricerca scientifica grazie alla biochimica!

Come la ricerca scientifica può sfruttare la bioluminescenza?

Quando una molecola viene utilizzata come tracker o reporter all'interno di un sistema vivente, descriviamo questa molecola come un biomarcatore. I biomarcatori non devono essere sempre visibili, ma devono essere rilevabili. I biomarcatori naturali sono spesso difficili da scoprire e caratterizzare, tanto da richiedere molti anni di ricerca prima di poter essere utilizzati per scopi scientifici e diagnostici.

E se fossimo in grado di progettare il biomarcatore perfetto? Se potessimo inserire il gene per la luciferasi nel sistema che stiamo studiando ed essere in grado di monitorare i nostri risultati usando la luce?

Beh, non solo possiamo, ma già lo facciamo! La biotecnologia ha infatti portato a numerose applicazioni per la bioluminescenza come biomarcatore. Siamo in grado di studiare quali geni vengono espressi e quando, ad esempio per determinare i geni associati alla malattia o le differenze tra diversi tipi di cellule o tra diverse fasi del loro sviluppo. Possiamo usare la bioluminescenza anche per valutare se le cellule siano vive o oppure no e moltissimi altri ambiti della fisiologia cellulare!

Utilizzare la luciferasi per studiare quando e dove vengono espressi i geni

Nel caso dell'espressione genica, i ricercatori possono studiare quanta parte di una particolare proteina di interesse viene prodotta ingegnerizzando il gene associato a questa proteina per esprimere anche la luciferasi (o un altro marker reporter). La luciferasi può quindi essere rilevata e la quantità di luce emessa è direttamente proporzionale ai livelli di espressione della proteina di interesse. Un modo comune per farlo sarebbe inserire il gene reporter a valle di un promotore all'interno di un vettore di espressione e trasfettarlo in cellule, in modo da valutarne l'espressione.

Lo schema qui sopra mostra come proteine reporter come la beta-galattosidasi (rilevata dal colore) e la luciferasi (rilevata come bioluminescenza) possono essere utilizzate per comprendere l'espressione genica.

Questo lavoro è fondamentale per la biologia molecolare. Oltre a darci un'idea di quanta proteina viene prodotta, se la luciferasi viene utilizzata per marcare una proteina di interesse può anche mostrarci dove viene prodotta, fornendoci indicatori visivi di dove le proteine sono localizzate all'interno della cellula. Scoprite l'intero processo in questo breve video.

Utilizzare la bioluminescenza per studiare la salute delle cellule e monitorare l'impatto dei composti terapeutici

Possiamo anche usare la luciferasi per indagare la salute delle cellule e monitorare l'impatto dei trattamenti farmacologici. Ad esempio, la chemioterapia ha lo scopo di uccidere le cellule, in particolare le cellule in rapida divisione associate al cancro. Possiamo seminare cellule cancerose in piccoli pozzetti di coltura e trattarle con farmaci chemioterapici per valutarne l'efficacia, usando come controllo le stesse cellule in assenza di trattamento. Per determinare se il farmaco è efficace, i ricercatori devono testare per vedere se le cellule stanno morendo come ci si aspetterebbe o se invece prosperano (quest'ultimo caso significherebbe che il trattamento farmacologico non sta funzionando).

Visto che non sarebbe possibile contare tutte le cellule presenti in ogni pozzetto di test, i ricercatori possono piuttosto fare affidamento sulla quantità di luce emessa dalle cellule all'interno del campione come indicazione di quante cellule stiano producendo ATP, un segno distintivo delle cellule viventi. Se si confronta la luce emessa dalle cellule nei pozzetti trattati con quelli non trattati, dove la luce è proporzionale al numero di cellule vive, la quantità di luce emessa dai campioni non trattati dovrebbe essere superiore a quella dei pozzetti trattati, a condizione che il chemioterapico sia efficace.

In conclusione, abbiamo scoperto la bioluminescenza e come questa possa essere utile a livello scientifico grazie alla biotecnologia. Ci sono molti altri modi in cui il fenomeno della bioluminescenza può essere utilizzato all'interno dei sistemi biologici per darci informazioni su ciò che sta accadendo all'interno di questi sistemi, come su tanto altro. Alcuni esempi? Per il monitoraggio dei sistemi idrici che forniscono acqua potabile di alta qualità, per immagini in vivo in grado di monitorare i ritmi circadiani, per rilevare le proteine e, se il campione di sangue di un paziente contiene anticorpi contro COVID-19, anche per ricerca e sviluppo di vaccini.

Se ti sei perso la prima parte di questa serie di articoli, dedicata al fenomeno della bioluminescenza in natura e all'uso che ne viene fatto da parte degli esseri viventi, clicca qui.

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