Un cromosoma artificiale batterico (BAC) fa parte di una classe di strumenti, chiamati vettori, che i microbiologi usano per inserire i geni in un batterio, di solito e coli. L’inserimento di geni altera le proprietà del batterio in un processo chiamato trasformazione. Uno scienziato può alterare un ceppo di batteri utilizzando un BAC, quindi confrontare i batteri alterati con un ceppo inalterato per scoprire quale ruolo giocano i geni inseriti nella biologia cellulare. Sebbene tutti i vettori siano utilizzati dagli scienziati in modo simile, il BAC è degno di nota per essere in grado di trasportare molto più materiale genetico rispetto agli strumenti concorrenti.
Nel corso degli anni, gli scienziati hanno sviluppato una serie di diversi tipi di vettori per modificare il corredo genetico dei batteri. La maggior parte di questi viene creata modificando i fagi – virus che infettano solo le cellule batteriche – o strutture chiamate plasmidi. Il cromosoma artificiale batterico è uno dei numerosi vettori basati su plasmidi. I plasmidi sono anelli di DNA fluttuanti che molti batteri contengono oltre al loro DNA cromosomico. Non sono considerati una forma di vita separata, ma si comportano comunque come un organismo all’interno di un organismo: possono riprodursi indipendentemente dai batteri in cui “vivono”.
I plasmidi come il cromosoma artificiale batterico vengono inseriti nei batteri utilizzando un processo chiamato elettroporazione. L’elettroporazione comporta il disturbo della membrana cellulare con uno shock elettrico, che crea aperture temporanee attraverso le quali le molecole possono essere inserite. I precursori del BAC includevano plasmidi modificati con nomi esotici come il cosmide e il fosmide. Questi tentativi di ricerca spesso frustrati perché potevano trasportare solo poche decine di migliaia di coppie di basi del DNA, sufficienti per inserire solo geni molto piccoli.
Nel 1992 il primo cromosoma artificiale batterico è stato creato da Hiroaki Shizuya, un ricercatore del California Institute of Technology, modificando un plasmide chiamato fattore F. I plasmidi del fattore F vengono utilizzati naturalmente dai batteri per trasferire il DNA da una cellula all’altra durante i periodi di stress ambientale, al fine di aumentare la variabilità genetica e la probabilità di sopravvivenza. A differenza dei suoi predecessori, il BAC potrebbe trasportare grandi geni con centinaia di migliaia di coppie di basi del DNA o più geni contemporaneamente.
Un certo numero di grandi biblioteche BAC sono ora gestite da università, industria privata e gruppi governativi. Oltre ai geni in esame, molti BAC contengono strumenti che consentono una ricerca più semplice. Ad esempio, alcuni BAC contengono geni che trasformano i batteri in blu o li fanno brillare, per una più facile identificazione. Alcuni contengono geni che rendono l’ospite resistente a determinati anticorpi. Le colture possono essere purificate lavandole con l’anticorpo in questione, uccidendo tutti i batteri tranne quelli che trasportano il BAC.
Poiché i batteri si riproducono rapidamente, il cromosoma artificiale batterico può essere utilizzato anche per clonare grandi quantità di una particolare sequenza genetica per lo studio. Ciò ha consentito uno studio migliore dei genomi di organismi che crescono lentamente o in modo imprevedibile in condizioni di laboratorio. La capacità di clonare ha accelerato la ricerca sul trattamento delle malattie consentendo un’identificazione più rapida di farmaci antivirali e antibatterici efficaci. Ha inoltre consentito una produzione più efficace di sequenze utilizzate nella modificazione genetica di altri organismi, per la ricerca e l’industria.