Nobel Chimica 2020 a CRISPR

Il premio Nobel della Chimica del 2020 va due scienziate, la francese Emmanuelle Charpentier e la statunitense Jennifer A. Doudna, per i loro studi su CRISPR/Cas9 e per il loro contributo allo sviluppo dell’editing genomico.

CRISPR/Cas9 (spesso chiamato solo CRISPR) è una scoperta piuttosto recente: i primi studi di Charpentier e Doudna risalgono a soli otto anni fa, ma questo breve lasso di tempo è stato sufficiente a dimostrare le enormi potenzialità di questo sistema. In pochi anni, CRISPR ha rivoluzionato le scienze della vita permettendo di modificare, con un livello di precisione altissimo, il genoma di microrganismi, piante e animali. La versatilità di questa tecnologia permetterà in futuro di ampliare sempre più i campi di applicazione: la speranza è quella di poter correggere gli errori genetici congeniti o acquisiti alla base di malattie ereditarie e tumori.

Jennifer A. Doudna è coautrice, insieme a Michael M. Cox e Michael O’Donnell, del volume Biologia molecolare – Principi e tecniche edito da Zanichelli (2013).

 

Che cos’è l’editing genomico?

Il termine editing genomico indica una serie di tecnologie genetiche che consentono di modificare in modo mirato sequenze specifiche del genoma di un organismo, senza alterare il resto del suo DNA. Già prima di CRISPR/Cas9, gli scienziati erano riusciti a mettere a punto sistemi per modificare punti specifici di una sequenza genomica. Tuttavia, questi sistemi – i più noti dei quali sono quelli basati sulle nucleasi a dita di zinco (o ZFN) e sulle nucleasi TALEN – sono molto laboriosi e complessi, e quindi difficili da impiegare su larga scala. Con la scoperta del sistema basato su CRISPR/Cas9, Charpentier e Doudna hanno regalato al mondo della genetica un sistema molto più maneggevole e versatile, grazie al quale è possibile, in linea teorica, intervenire e correggere qualsiasi sequenza genica. Come ha sottolineato la portavoce dell’Accademia reale svedese delle scienze al momento della premiazione, “l’unico limite è l’immaginazione”.

 

Come è stato scoperto CRISPR/Cas9?

La scoperta delle «forbici genetiche» su cui si basa CRISPR/Cas9 si deve ad Emmanuelle Charpentier, la scienziata francese oggi in forze alla Max Planck Gesellshaft di Berlino. Studiando il batterio patogeno Streptococcus pyogenes, il gruppo di ricerca di Charpentier si è imbattuto in una molecola di RNA completamente nuova, un crRNA transattivatore o tracrRNA,  e ha dimostrato che faceva parte di una forma ancestrale di difesa dei batteri nei confronti delle infezioni virali, il sistema CRIPSR/Cas9.

Il sistema di difesa batterico basato su CRISPR/Cas9 (Immagine: Kungl. Vetenskapsakademien).

CRISPR/Cas9, ritrovato nel genoma di moltissime specie batteriche e negli archea, costituisce una sorta di memoria immunitaria: quando i virus infettano un batterio, introducono il loro genoma all’interno della cellula ospite; se il batterio sopravvive all’infezione, un pezzo del genoma virale viene inserito nel genoma batterico e va a far parte di una sorta di archivio di tutte gli incontri che il batterio ha avuto con virus patogeni e che può essere impiegato dal batterio per proteggersi da future infezioni.

Ecco quindi spiegato l’acronimo CRISPR, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats: l’archivio di sequenze di origine virale si concentra infatti in una specifica regione del genoma batterico ed è costituito da brevi sequenze di DNA, ripetute e palindromiche, raggruppate e separate tra di loro con regolarità.

Se un batterio viene infettato per la seconda volta dallo stesso virus, la sequenza CRISPR corrispondente viene trascritta in un RNA che è complementare a una porzione del genoma virale. L’appaiamento tra RNA-guida e genoma virale chiama sulla scena il terzo componente del sistema, un’endonucleasi. Anche se spesso viene indicato semplicemente con l’acronimo CRISPR, il nome completo del sistema di editing include infatti anche il nome dell’enzima Cas9, un’endonucleasi che taglia in modo mirato (cioè nel punto in cui lo porta l’RNA guida) le sequenze di DNA del virus, inattivandolo prima che possa instaurare il ciclo infettivo.

 

Come funziona il sistema di editing CRISPR/Cas9?

Dopo la pubblicazione della sua scoperta (2011), Charpentier ha iniziato una proficua collaborazione con la collega statunitense Jennifer Doudna, una biochimica della Berkely University in California. Gli studi delle due scienziate hanno permesso, nel 2012, di passare rapidamente dalla scoperta all’invenzione: il sistema batterico CRISPR/Cas9 è stato ingegnerizzato abbinando uno specifico RNA-guida all’azione dell’enzima Cas9. Questo sistema ha permesso di riprodurre in vitro l’attività di «taglia e cuci» osservata nei batteri.

Grazie alla creazione di intere librerie di RNA-guida, è inoltre possibile, almeno ipoteticamente, indirizzare l’attività di editing di CRISPR/Cas9 verso qualsiasi sequenza genica contenuta nel genoma degli esseri umani o di altri organismi. L’enorme versatilità di questa tecnologia, unità alla facilità di impiego e ai costi contenuti, ha permesso a CRISPR di superare in pochi anni i precedenti metodi di editing genomico, diventando oggi una delle biotecnologie più promettenti.

Questo video illustra il funzionamento del sistema CRISPR/Cas9:

 

CRISPR/Cas9 ci permetterà di riscrivere il codice della vita?

A partire dal 2012, il sistema CRISPR/Cas9 è stato impiegato in moltissime applicazioni che ne hanno dimostrato l’enorme potenzialità, inclusa quella di applicarlo in modo efficace anche a cellule eucariote in vivo. Ulteriori migliorie alla metodica hanno poi portato a una nuova versione del sistema, chiamata CRISPR/Cpf1, in cui viene impiegato un enzima (Cfp1) ancora più preciso.

Dalla ricerca di base alle applicazioni biotecnologiche, gli esempi non mancano e riguardano soprattutto l’ambito delle green biotech e delle colture geneticamente modificate (GM). L’utilizzo di CRISPR per generare piante GM permetterebbe di superare alcuni dei limiti incontrati finora con le tecniche del DNA ricombinante e potrebbe aiutare a fare fronte al cambiamento climatico (con piante GM resistenti alla siccità) o a sopperire alle esigenze nutrizionali di una popolazione mondiale in crescita costante (con piante resistenti ai parassiti).

Le applicazioni in campo biomedico rimangono le più lontane da realizzare ma anche le più promettenti. Nell’agenda dei ricercatori spiccano, in particolare, gli studi per la terapia di malattie ereditarie congenite, come la fibrosi cistica o l’anemia falciforme, o per la correzione di difetti genetici che causano tumori. In questi anni sono apparsi già alcuni risultati preliminari promettenti (per esempio, l’utilizzo di CRISPR in un protocollo di immunoterapia antitumorale), ma per indiscutibili motivi etici e di sicurezza, un utilizzo diffuso di CRISPR nelle cellule umane richiederà norme e regolamenti stringenti, da condividere a livello internazionale tra tutta la comunità scientifica (basti vedere, a questo proposito, lo scalpore suscitato dai cosiddetti «CRISPR babies», di cui abbiamo parlato anche sull’Aula di Scienze).

CRISPR/Cas9 potrebbe trovare impiego anche per la terapia di malattie infettive. Per esempio, questo sistema di editing, anziché correggere un gene mutato, potrebbe essere usato per inattivare i geni di virus il cui genoma, dopo l’infezione, si integra nel genoma umano dando vita a infezioni croniche e latenti (come il virus HIV e l’herpes virus). La facilità di utilizzo di CRISPR lo rende inoltre un ottimo sistema per investigare in tempi molto rapidi soluzioni a situazioni di emergenza, come nel caso della pandemia causata dal nuovo coronavirus SARS-CoV-2. Alcuni ricercatori stanno già studiando, seppure ancora in laboratorio, metodi per diagnosticare l’infezione o per mettere a punto terapie mirate per la COVID-19.

 

Foto banner e box: nobelprize.org

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