Uno strumento che ha portato le scienze della vita in una nuova epoca!

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Ottobre, si sa, è mese di Nobel e quest’anno l’ambito premio per la chimica è stato assegnato a due ricercatrici per aver scoperto e sviluppato il metodo di editing del genoma CRISPR/Cas9. L’Accademia di Stoccolma, che ha assegnato il premio, lo riconosce come rivoluzionario perché permette di modificare con estrema precisione il DNA di piante, animali e microrganismi. Come scrive la Commissione Nobel dell’Accademia delle Scienze svedese:

“Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna hanno sviluppato uno strumento che ha portato le scienze della vita in una nuova epoca”[5]. La descrivono come una scoperta dall’enorme potenziale, che sicuramente “contribuirà a risolvere molte delle sfide che si presentano all’umanità”[5].

Emmanuelle Charpentier è nata nel 1968 a Juvisy sur Orge, in Francia. Ha conseguito il PhD nel 1995 presso l’Institut Pasteur di Parigi. Attualmente è direttrice del Max Planck Institut per la scienza dei patogeni di Berlino, in Germania.
Jennifer A. Doudna è nata nel 1964 a Washington, negli Stati Uniti. Ha conseguito il PhD nel 1989 alla Harvard Medical School di Boston, negli Stati Uniti. Attualmente è professoressa all’Università della California a Berkeley, e ricercatrice all’Howard Hughes Medical Institute.

CRISPR/Cas9 è un metodo di editing genetico di altissima precisione per qualsiasi organismo vivente, facile da usare e veloce, di cui si parla come rivoluzionario nel campo da anni ormai, non senza qualche polemica. Non per il metodo in sé, ma per i modi e i fini in cui è stato utilizzato (per approfondire puoi leggere https://terramatta.net/quando-luomo-crea-luomo-il-dito-medio-di-galileo/) e per le dispute brevettuali di cui è stato oggetto. Ma la storia di CRISPR/Cas9 è soprattutto quella di una grandissima scoperta; qualcosa che parla di chimica sì, ma che affonda le sue radici nella biologia, in modo particolare nella biologia dei microrganismi, sono loro i veri protagonisti della storia, almeno agli inizi. CRISPR/Cas9 è infatti un acronimo utilizzato per identificare una sorta di sistema immunitario procariotico. Si tratta di un complesso di sequenze genetiche e proteine, una tecnologia che deriva da un meccanismo naturale di difesa, che i batteri e gli Archea utilizzano nel contrastare virus e altri elementi genetici estranei, principalmente riconoscendo, tagliando e distruggendo il DNA invasore.

Siamo di fronte ad una tecnologia “semplice”, ma molto potente che, quando trasferita in altri organismi più complessi, consente di alterare porzioni del DNA e di modificarne la funzione, con il potenziale di correggere anomalie genetiche, di trattare e prevenire malattie e apportare miglioramenti in agricoltura. 

Cos’è CRISPR/Cas9?

Figura 1. L’enzima Cas9 (blu) genera rotture nel DNA a doppia elica utilizzando i suoi due centri catalitici per scindere ciascun filamento di un sito bersaglio del DNA (in giallo) accanto a una sequenza PAM (in rosso) e abbinando la sequenza di 20 nucleotidi (in arancione) dell’RNA guida (sgRNA in verde) [1].

CRISPR sta per Clusters of Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (gruppi di ripetizioni palindromiche brevi regolarmente intervallate). È una regione specializzata del DNA con due caratteristiche distinte: 1) la presenza di ripetizioni nucleotidiche e 2) di spaziatori, presente nei batteri. Le sequenze ripetute di nucleotidi sono distribuite in una regione CRISPR nel genoma batterico. Gli spaziatori sono frammenti di DNA intervallati da queste sequenze ripetute e appartengono a porzioni derivate da virus o materiale genetico esogeno. Una volta attaccati da un virus, i batteri “prelevano” porzioni di DNA virale, che vengono inserite nel genoma batterico andando a formare questi gruppi CRISPR: questi frammenti virali costituiscono una sorta di banca di ricordi che consente ai batteri di riconoscere i virus e combattere attacchi futuri.

CRISPR RNA (crRNA): quando un virus attacca di nuovo, la sequenza spaziatrice (il frammento virale che era stato precedentemente incorporato in CRISPR) e una parte del CRISPR viene trascritta in CRISPR RNA o crRNA, ovvero in una sequenza complementare di RNA a singolo filamento, che servirà a guidare Cas9 nel riconoscere il DNA estraneo, grazie alla loro complementarietà.

Cas9 è un enzima (endonucleasi) che taglia il DNA estraneo. Per conoscere esattamente il sito di taglio, il crRNA e un altro RNA chiamato tracrRNA (crRNA trans-attivatore) formano una chimera e costituiscono l’RNA guida (sgRNA). L’ sgRNA porterà Cas9 sul sito di destinazione dove effettuerà il suo taglio. Il sistema prevede un meccanismo di sicurezza integrato che assicura che Cas9 non si limiti a tagliare in qualsiasi parte del genoma, esistono infatti delle brevi sequenze di DNA note come PAM (Protospacer Adjacent Motifs) che fungono da segnaposto e si trovano proprio accanto alla sequenza da tagliare: se Cas9 non vede una sequenza PAM non taglia. Di enzimi Cas ne esistono diversi, tra cui Cas9, Cas12a e Cas13.

Le applicazioni pratiche della ricerca

Le due ricercatrici nel loro studio, ricreano in provetta le “forbici genetiche” dei batteri, semplificate nei componenti molecolari e riprogrammate in modo da poter tagliare qualsiasi molecola di DNA in un sito predeterminato. Da allora, l’uso delle forbici genetiche CRISPR/Cas9 si è diffuso con grande rapidità, contribuendo a molte importanti scoperte nella ricerca di base nei campi più disparati, un concetto, fino a qualche anno fa, al limite del surreale ma che oggi rappresenta una tecnologia con applicazioni che spaziano dalla medicina all’agricoltura: dalle colture in grado di resistere a muffe, parassiti e siccità alle terapie sperimentali contro tumori e malattie ereditarie. 

È notizia recente per esempio che il team di Jennifer Doudna ha sviluppato un nuovo test rapido che avvalendosi di CRISPR riesce a individuare nei campioni biologici il materiale genetico di Sars-Cov-2 in pochi minuti, senza bisogno di tanti reagenti e di macchinari complicati, fornendo anche un’indicazione sulla carica virale. Il test rapido con CRISPR non ha ancora passato il vaglio della comunità scientifica, ma, se si confermerà valido, potrebbe arrivare molto velocemente alla commercializzazione.

Ecco alcuni dei risultati più recenti:

  • Aprile 2017: un team di ricercatori ha pubblicato sulla rivista Science un metodo di diagnostica con CRISPR per rilevare virus, come Zika, nel sangue, nelle urine e nella saliva[2].
  • Agosto 2017: gli scienziati hanno rimosso con successo un difetto di una malattia cardiaca in un embrione usando CRISPR[3].
  • Febbraio 2020: il primo studio clinico statunitense a testare l’approccio di modifica genetica sull’uomo. Le cellule immunitarie modificate CRISPR/Cas9 sono state trasferite a malati di cancro [4].

Mi piace concludere questo articolo con una dichiarazione della stessa Emmanuelle Charpentier: 

“Le donne possono lasciare un segno importante nella scienza ed è fondamentale che lo sappiano le ragazze che vogliono lavorare nella ricerca. Spero che questo riconoscimento sia un messaggio positivo per le ragazze che vorrebbero seguire la strada della ricerca. La speranza è che questo Nobel dimostri alle più giovani che le donne possono avere un impatto attraverso le ricerche che svolgono”.

Gli altri premi Nobel per il 2020 sono andati a: 

  • Medicina e Fisiologia: Harvey J. Alter, Michael Houghton e Charles M. Rice per la scoperta del virus dell’epatite C. 
  • Fisica: Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez per le loro scoperte che hanno migliorato la comprensione dell’universo, in particolar modo il lavoro sui buchi neri.
  • Letteratura: Louise Glück “per la sua inconfondibile voce poetica che con l’austera bellezza rende universale l’esistenza individuale”.
  • Pace: Programma alimentare mondiale (World Food Programme WFP) per i suoi sforzi per combattere la fame nel mondo, per aver contributo al miglioramento delle condizioni favorevoli alla pace nelle aree colpite da conflitti e per aver agito come forza trainante per prevenire l’uso della fame come arma di guerra e conflitto.
  • Economia: Paul R. Milgrom e Robert B. Wilson per i miglioramenti alla teoria delle aste e le invenzioni di nuovi formati di aste. I loro studi e le loro intenzioni hanno permesso di progettare nuovi formati di aste per beni e servizi difficili altrimenti da vendere in modo tradizionale come ad esempio le frequenze radio.

NOTE E BIBBLIOGRAFIA

  1. Doudna JA, Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science. 2014 Nov 28;346(6213):1258096. doi: 10.1126/science.1258096. PMID: 25430774.
  2. Gootenberg JS, Abudayyeh OO, Kellner MJ, Joung J, Collins JJ, Zhang F. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6. Science. 2018 Apr 27;360(6387):439-444. doi: 10.1126/science.aaq0179. Epub 2018 Feb 15. PMID: 29449508; PMCID: PMC5961727.
  3. Ma H, et al. Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature. 2017 Aug 24;548(7668):413-419. doi: 10.1038/nature23305. Epub 2017 Aug 2. PMID: 28783728.
  4. Stadtmauer EA, et al. CRISPR-engineered T cells in patients with refractory cancer. Science. 2020 Feb 28;367(6481):eaba7365. doi: 10.1126/science.aba7365. Epub 2020 Feb 6. PMID: 32029687.
  5. Popular information. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2020. Wed. 7 Oct 2020. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/popular-information/
  6. https://www.missionescienza.it/crispr-cas9-il-victorinox-per-il-genoma/
  7. https://www.nobelprize.org/prizes/uncategorized/the-swedish-academy/
  8. https://www.wired.it/scienza/
  9. https://it.wikipedia.org/
  10. https://www.lescienze.it/
  11. https://www.biopills.net/ 

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