Il gene drive e la lotta contro la malaria

Eradicare la malaria liberando nell’ambiente zanzare geneticamente modificate è un obiettivo sempre più vicino. Gli ingredienti per riuscirci sono pochi, ma molto complessi: la tecnologia dei gene drive, un sistema biotecnologico capace di cancellare la trasmissione della malattia in un’intera popolazione di zanzare, e accordi politici ed economici che rendano possibile il rilascio delle zanzare modificate nei luoghi dove la malaria è endemica.

Presenza della malaria nel mondo. Il giallo indica un rischio di malaria molto limitato. Il rosso indica un rischio alto.

(Immagine: Percherie, CHU de Rouen – Frequence du paludisme)

L’equilibrio di questi elementi scientifici e politici è l’essenza di Target Malaria, un consorzio internazionale che vede l’Italia tra i primi posti nella ricerca per la lotta contro questa malattia. Abbiamo chiesto ad Andrea Crisanti, coordinatore per l’Italia e il Regno Unito del progetto, di accompagnarci virtualmente in questo viaggio, che va dai laboratori dove si modificano le zanzare alle sperimentazioni in campo, passando per le problematiche politiche ed etiche che questa ricerca pone. Partiamo dal laboratorio. La tecnologia utilizzata ha diverse definizioni. Gli americani la chiamano «reazione genica a catena», in italiano si preferisce parlare di «gene drive» o «drive genetici».

 

In cosa consiste questa tecnica biotecnologica?

La tecnologia dei gene drive permette di modificare il genoma di un organismo attraverso l’utilizzo di un drive, di solito un enzima, che taglia il DNA in corrispondenza dei geni della zanzara coinvolti nella trasmissione del parassita della malaria. Se il processo funziona, la probabilità di trasmissione della modificazione genetica non è del 50%, come predicono le leggi dell’ereditarietà di Mendel (sullo scopritore delle legge dell’ereditarietà puoi leggere Genetica mendeliana: realtà storica e mito), ma può sfiorare il 100%. Questo significa che nel giro di qualche generazione, proprio grazie all’effetto di una «reazione genica a catena», la soppressione del gene si propaga in tutta la popolazione della specie trattata.

In che modo questa tecnologia può essere utilizzata per eradicare la malaria?

Nel genoma delle zanzare che trasmettono la malaria ci sono dei geni che rendono questo insetto un perfetto vettore del parassita della malattia. Questi geni, per esempio, sono quelli responsabili del riconoscimento dell’odore umano piuttosto che animale, oppure sono i geni che regolano la capacità riproduttiva, o ancora i geni che permettono lo sviluppo del parassita. È evidente, quindi, che se si riesce a intervenire su questi elementi, è possibile alterare la capacità della zanzara di trasmettere la malattia. Ipotizzando che sia possibile modificare uno di questi geni, resta da superare un ostacolo quasi insormontabile: come diffondere questa manipolazione da pochi individui all’intera popolazione.

Se introduciamo in una popolazione un gene a una frequenza iniziale del 5%, questo gene rimarrà sempre con la stessa frequenza, a meno che non abbia un vantaggio positivo (e in tal caso aumenterebbe lentamente) o uno svantaggio (e in questo caso diminuirebbe più o meno lentamente). Questo avviene perché tutti gli organismi con riproduzione sessuata ereditano il 50% dei cromosomi dal padre e il 50% del materiale genetico dalla madre. Quindi, in assenza di pressioni selettive, la frequenza di un determinato carattere genetico in una popolazione rimane costante. Per raggiungere una percentuale del 90-95% di insetti geneticamente modificati, si dovrebbe rilasciare nell’ambiente una quantità di insetti 10 volte maggiore rispetto a quella già presente nell’ambiente. Sarebbe un compito immane.

 

Come è possibile sovvertire le leggi di Mendel con la tecnologia dei gene drive?

Il meccanismo dei drive genetici si basa sull’azione di un enzima (drive), che riconosce una specifica sequenza del genoma (20/30 basi nucleotidiche) e taglia la doppia elica proprio in questo punto. La specificità di questo enzima fa sì che il genoma venga tagliato una volta sola. Infatti, la probabilità di ritrovare casualmente le stessa sequenza bersaglio nell’intero genoma è bassissima. Il drive agisce durante la meiosi, il processo di formazione dei gameti, quando il cromosoma ereditato dalla madre e quello ereditato dal padre si appaiano e si duplicano.

Immagine tratta dal video prodotto dal Polo GGB di Terni.

Perché la tecnica funzioni correttamente, si devono verificare due eventi: il gene dell’enzima deve essere attivato selettivamente e deve essere inserito all’interno della sequenza bersaglio, interrompendola. A questo punto quando l’enzima è sintetizzato, non è in grado di tagliare la regione cromosomica sulla quale è inserito (poiché è interrotta), ma taglia la sequenza bersaglio dell’altro cromosoma. Si attiva così il meccanismo di riparazione del DNA: il cromosoma intatto, che è quello che possiede il gene dell’enzima, viene usato da stampo e copiato. In questo modo entrambi i cromosomi, cioè quello ereditato dalla madre e quello ereditato dal padre, possiedono la modificazione genetica e possono trasmetterla a tutti i gameti. È proprio questa la «reazione genica a catena» del drive: taglio, riparazione e copia. Arriviamo così ad avere il 100% dei gameti geneticamente modificati. Questo significa che quando questa zanzara fertilizzerà un’altra, trasmetterà al 100% della progenie la modificazione genetica.

 

Quali sono gli effetti concreti del meccanismo del drive sulla zanzara?

Il drive attacca un gene coinvolto nella fertilità delle femmine, che sono le responsabili della trasmissione della malaria. Se inseriamo la sequenza di taglio in prossimità di geni che regolano la formazione del guscio dell’uovo della zanzara, creiamo individui che hanno due copie del gene distrutto. La mutazione rende sterili le femmine perché impedisce la formazione delle uova, mentre non ha alcun effetto sui maschi. Man mano che la frequenza della modificazione aumenta nella popolazione, si ottiene un numero sempre maggiore di individui omozigoti. A lungo andare le femmine fertili diminuiscono, fino al collasso della popolazione.

Video realizzato dal Polo d’Innovazione di Genomica, Genetica e Biologia di Terni (pologgb.com/)

 

L’Italia ha un ruolo importante nella lotta contro la malaria, qual è il ruolo dei laboratori nel nostro paese?

Proprio grazie alla sua storia, l’Italia ha una grande esperienza e una profonda conoscenza scientifica nel campo della ricerca della malaria. La sensibilità della popolazione è elevata e la memoria della malattia è ancora viva. Nell’ambito del progetto Target Malaria, il Polo GGB di Terni lavora in tandem con i laboratori dell’Imperial College di Londra, dove vengono eseguite le modificazioni genetiche sulle zanzare. All’interno di questa infrastruttura unica al mondo, sono stati riprodotti grandi spazi confinati, in cui è possibile riprodurre con grande fedeltà intere stagioni climatiche tropicali. Da Londra le uova di zanzara vengono spedite in questi laboratori per valutare i comportamenti dell’insetto in un ambiente che riproduce fedelmente quello delle regioni tropicali, dove si progetta di rilasciare le zanzare geneticamente modificate. Queste sperimentazioni sono fondamentali per l’acquisizione di tutte le informazioni di fattibilità e sicurezza per il futuro rilascio delle zanzare nell’ambiente.

La storia della malaria in Italia

In Italia, all’inizio del Novecento, la malaria uccideva circa 10 mila persone all’anno. Nel 1901 venne intrapresa una campagna nazionale per eradicare la malattia: a tutti i lavoratori agricoli più a rischio venne distribuita una dose di chinino antimalarico e contemporaneamente fu avviato il drenaggio dei siti di riproduzione delle larve allo scopo di ridurre il numero di insetti. Con lo stesso obiettivo, dopo una ventina d’anni, si cominciò a usare su tutto il territorio nazionale un composto altamente tossico, il cosiddetto verde di Parigi. Solo dopo l’introduzione del DDT, nel 1945, fu possibile eradicare la malaria. Subito dopo la Seconda Guerra Mondiale, la Fondazione Rockefeller condusse uno studio di rilascio a tappeto dell’insetticida, con l’obiettivo di eliminare le quattro specie di zanzare responsabili della trasmissione della malattia. L’intervento, durato 5 anni, riuscì a estinguere due specie e a ridurre le altre due. Nel frattempo i casi di malaria venivano curati, eliminando così le fonti primarie di infezione. Dopo oltre 70 anni di interventi, si arrivò alla completa eradicazione della malaria e a una completa trasformazione del panorama italiano.

 

Ci sono dei possibili effetti collaterali nel rilascio di zanzare geneticamente modificate nell’ambiente?

Il nostro obiettivo è di garantire condizioni di massima sicurezza per chi si troverà a utilizzare questa tecnologia. Adesso stiamo proprio eseguendo tutti gli esperimenti per verificare queste condizioni. Stiamo cercando di analizzare le conseguenze negative, come per esempio la mancanza di stabilità del costrutto genetico, oppure i bersagli accidentali o ancora l’attraversamento di specie. È sicuramente un processo lungo e fatto in collaborazione con le autorità che regolano questi percorsi.

Per quanto riguarda, invece, la probabile estinzione della popolazione della zanzara trattata, la situazione che si prevede è la seguente. In Africa ci sono circa 900 specie di zanzare, quelle che trasmettono la malaria sono circa 5 o 6. Rilasciando le zanzare modificate, ci si aspetta che la popolazione bersaglio collassi e che la nicchia ecologica venga occupata da altre zanzare. Questo sarebbe un grande vantaggio perché impedirebbe l’immediato ritorno delle zanzare che abbiamo eliminato e si guadagnerebbero 4 o 5 anni di tempo per trattare tutti gli individui malati. Tuttavia, è difficile pensare che questa tecnologia sia in grado di coprire al 100% vastissime aree. È molto probabile che rimarranno dei rifugi ecologici in cui queste zanzare potranno sopravvivere e ricomparire, ma a quel punto non esisteranno più fonti primarie di infezione. Più che una vera e propria estinzione, si può verosimilmente pensare a una drastica e transitoria riduzione.

 

Quanto tempo ci vorrà per rilasciare le prime zanzare geneticamente modificate nell’ambiente?

Si può dire che l’avvento della tecnologia CRISPR abbia cambiato le carte in tavola: ha accelerato il processo di sviluppo dalle 5 alle 10 volte e la ricerca ha subito una svolta senza precedenti. Nell’era pre-CRISPR si usavano gli enzimi HEG (Homing Endonuclease Genes), che sono molto difficili da riprogrammare. È molto complicato, infatti, decifrare ciò che li rende abili a riconoscere una sequenza specifica. Riprogrammare questi enzimi è come mescolare le parole di una frase per trovarne un’altra con un significato diverso. CRISPR, invece, è un enzima molto facile da programmare perché se ne conosce la sintassi molecolare, cioè le basi molecolari del riconoscimento degli acidi nucleici.

Ci aspettiamo che in due o tre anni vengano prodotte delle linee con caratteristiche di efficacia e di sicurezza. Poi si dovranno affrontare tutte le procedure che portano al rilascio dell’insetto modificato nell’ambiente, ma per il momento il processo regolatorio è ancora molto vago e difficile da prevedere.

A questo si aggiunge che la malaria è anche strettamente interconnessa a un problema di povertà e di stabilità politica. Per tutti questi motivi, è ancora più solida l’idea che per sconfiggere la malaria è necessaria una tecnologia come quella descritta finora, cioè una misura auto-sostenibile e indipendente dall’intervento umano.

 

Per la lezione

Prosegui la lettura

Commenti

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *