Nel numero di Science del 28 giungo 2012, alla pagina 816, si trova un articolo dal titolo non particolarmente accattivante: A Programmable Dual RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. È dura ammetterlo oggi, ma nel leggere questo titolo in molti avranno pensato che si trattasse di una “semplice curiosità” sul mondo microbico e sul modo in cui i batteri si difendono dai patogeni. Ma chi si è avventurato nella lettura dell’articolo deve aver intuito subito che, quella che aveva per le mani, non era una pubblicazione come le altre. E se avrà avuto la pazienza di leggerla fino alla fine, la sua intuizione avrà trovato conferma nelle ultime righe di chiusura:
«Proponiamo una metodologia alternativa basata su Cas9 guidato da RNA, che potrebbe avere un potenziale significativo per le applicazioni di targeting genetico e di editing del genoma.»
Science 28 Jun 2012 Vol 337, Issue 6096 pp. 816-821
Con il senno di poi, la stessa Jennifer Doudna, una delle ricercatrici che ha condotto la ricerca, ha ammesso scherzosamente che, se dovesse scrivere oggi quell’articolo, probabilmente sceglierebbe un titolo diverso. Ma forse non sarebbe necessario: oggi CRISPR è un termine che è ormai entrato nel linguaggio comune e che identifica un sistema di editing del genoma rapido, veloce, economico ed estremamente versatile. Un sistema così rivoluzionario che, ad appena otto anni dalla pubblicazione della scoperta, ha spalancato le porte dell’Accademia reale svedese delle scienze a Jennifer Doudna e alla collega Emmanuelle Charpentier, entrambe premiate con il premio Nobel per la chimica nel 2020.
La scoperta di CRISPR ha da poco compiuto 10 anni, eppure le potenzialità di questo sistema di editing del genoma sono tali da far supporre che, molto probabilmente, abbiamo solo iniziato ad apprezzare (e, forse, immaginare) i risultati che può regalarci. Una rivoluzione che è già qui, ma che è appena iniziata.
In particolare, l’editing genomico basato su CRISPR sta cambiando in modo significativo - o promette di farlo nei prossimi 5-10 anni - tre aree principali della scienza, che coincidono anche con tre Obiettivi dell’Agenda 2030: la ricerca biomedica (Obiettivo 3), la produzione di cibo (Obiettivo 2) e la lotta al cambiamento climatico (Obiettivo 13). Vediamo qui di seguito alcuni esempi che illustrano l'uso di CRISPR in questi ambiti.
Cambiare il futuro della ricerca biomedica con CRISPR
Trovare un modo per correggere la mutazione alla base di una malattia ereditaria è senza dubbio uno degli obiettivi principali dell’editing genomico con CRISPR/Cas9.
Le applicazioni oggi più promettenti riguardano, in particolare, la terapia genica di alcune malattie del sangue, come la beta-talassemia e l’anemia falciforme. Quest’ultima è stata al centro del primo studio clinico di terapia genica basata su CRISPR. Trattandosi di una malattia del sangue, è stato seguito un protocollo analogo a quello già usato in passato per la terapia genica di malattie del sangue, come l'immunodeficienza ADA-SCID: sono state prelevate le cellule staminali del sangue che si trovano nel midollo osseo e in laboratorio è stata eseguita la “correzione” del DNA mediante CRISPR; a questo punto, le cellule staminali sono state infuse di nuovo nella persona con anemia falciforme.
Tuttavia, a differenza dei sistemi “tradizionali” di terapia genica (che permettono di sostituire la copia mutata del gene con una funzionante), in questo caso CRISPR non è stato usato per correggere la singola base mutata nel gene dell’emoglobina - cosa che, nella prima versione della tecnologia CRISPR/Cas9, non sempre riusciva - ma è stato impiegato per riattivare la produzione di emoglobina fetale, una forma di emoglobina tipica dello sviluppo fetale e che poi negli adulti non viene più prodotta. La buona notizia è che l’emoglobina fetale non risente della mutazione tipica dell’anemia falciforme e riattivarne la produzione è uno stratagemma utile a fornire al corpo l’emoglobina di cui ha bisogno e che può sostituirsi nei globuli rossi all’emoglobina adulta mutata.
Questo stesso approccio può essere usato con successo anche per la beta-talassemia, come indicano alcuni risultati preliminari molto incoraggianti: la quasi totalità dei pazienti con beta-talassemia che ha partecipato allo studio non ha avuto fino ad oggi necessità di trasfusioni, e tra i pazienti con anemia falciforme, nessuno è più andato incontro alle tipiche crisi vaso-occlusive causate dai globuli rossi a forma di falce che, aderendo tra di loro e alla parete dei vasi sanguigni, possono interrompere il flusso di sangue a un tessuto.
Se ci spostiamo all’ambito oncologico, CRISPR può essere usato per ingegnerizzare con un altissimo livello di precisione le cellule T impiegate per l’immunoterapia CAR-T. In particolare, CRISPR può essere usato per bloccare uno dei sistemi che le cellule tumorali usano per spegnere la risposta immunitaria, basato sul legame tra PD-1L (espresso dal tumore) e il recettore PD-1 (espresso dai linfociti T). Grazie a CRISPR è possibile spegnere l’espressione di PD-1 nei linfociti CAR-T e potenziare così l’efficacia dell’immunoterapia.
Nutrire il Pianeta grazie a CRISPR
L’editing del genoma con CRISPR/Cas9 ha permesso di velocizzare la sperimentazione su piante geneticamente modificate (GM). Mentre le tecnologie basate sul DNA ricombinante richiedono numerosi tentativi e lunghi tempi di attesa prima di portare alla varietà desiderata, CRISPR rende tutto il processo molto più preciso, rapido ed economico.
Grazie a CRISPR è stato possibile ottenere, per esempio, colture con specifiche caratteristiche nutrizionali, come il pomodoro arricchito in vitamina D o le arachidi prive di quegli allergeni che le rendono pericolose per molte persone.
Uno degli obiettivi prioritari delle biotecnologie agrarie rimane però l’aumento della resa delle colture, una necessità che diventa ogni giorno più urgente a causa dell’aumento della popolazione mondiale e del cambiamento climatico. Ecco quindi che CRISPR potrebbe fornire un metodo rapido e agevole per ottenere colture più resistenti ai patogeni oppure in grado di crescere in un ambiente che il cambiamento climatico ha reso improvvisamente sfavorevole per quella coltura.
Le piante di soia in grado di crescere con meno acqua e fertilizzanti o le piante di sorgo resistenti al gelo, alla siccità e con un periodo di crescita prolungato sono solo alcuni esempi di come CRISPR potrebbe, in un futuro non troppo lontano, aiutarci a nutrire una popolazione mondiale in continua crescita.
Combattere il cambiamento climatico con CRISPR
Tra le applicazioni di CRISPR nelle biotecnologie agrarie, ce n'è una che merita un approfondimento a parte: grazie all’editing del genoma, alcuni gruppi di ricerca stanno cercando di generare piante in grado non solo di produrre di più, ma anche di contribuire a contenere l’innalzamento di CO2 atmosferico e le sue conseguenze sul riscaldamento globale. Alcune modifiche mirate del genoma permetterebbero di incrementare l'attività fotosintetica, aumentando la capacità della pianta di assorbire e sequestrare il CO2 atmosferico.
Il contributo di CRISPR alla lotta al cambiamento climatico non si limita però alle piante: anche i batteri o le alghe possono essere ingegnerizzati per convertirli in fonti sostenibili di biocarburanti. Per esempio, un gruppo di ricerca californiano ha usato CRISPR per silenziare i geni che normalmente limitano la produzione di lipidi nella microalga Nannochloropsis gaditana e ha ottenuto così microalghe in cui era raddoppiata la produzione di lipidi utili per la produzione di biocarburanti.
I prossimi dieci anni di CRISPR
Nel futuro di CRISPR possiamo già intravedere alcune importanti evoluzioni, sia tecnologiche sia applicative.
In questi primi dieci anni, la tecnologia di CRISPR ha messo in luce tutte le sue potenzialità, ma anche qualche limite. Come ha sottolineato Jennifer Doudna in una recente intervista a The Economist, uno dei passi avanti più significativi sarà quello di usare CRISPR non solo per inattivare specifici geni o per correggere piccole porzioni della sequenza, ma anche per inserire nuovi geni: un salto tecnologico per la "cassetta degli attrezzi di CRISPR" che potrebbe rivelarsi molto utile sia in ambito biomedico sia in agricoltura.
Dal punto di vista delle applicazioni, una delle più interessanti riguarda la possibilità di passare dalla terapia di malattie genetiche congenite come l’anemia falciforme alla prevenzione di patologie cronico-degenerative che si sviluppano con l'età. Si tratta di malattie che, pur non essendo presenti alla nascita, hanno comunque un’importante predisposizione genetica: basti pensare, per esempio, alle malattie cardiovascolari o alla malattia di Alzheimer. Un paziente neozelandese è stato il primo a ricevere un trattamento basato su CRISPR ideato per abbassare i livelli di colesterolo e prevenire disturbi cardiovascolari. In questo caso, l’editing correggerà la sequenza di DNA che codifica per PCSK9, una proteina che favorisce l’accumulo di colesterolo. Lo studio ha avuto inizio a luglio 2022: alla velocità con cui si muove la ricerca su CRISPR, forse le prime risposte sulla sicurezza e l’efficacia di CRISPR nel trattare malattie croniche arriveranno molto prima dei prossimi dieci anni.
Il video della TED Talk di Jennifer Doudna
Il podcast RESHAPE, in particolare l'episodio dedicato a CRISPR: l'editing genomico 2.0
Il documentario Human Nature (2019) del regista Adam Bolt
Il libro Curarsi nel futuro (Chiavi di lettura, Zanichelli, 2017) di Valentina Fossati e Angela Simone
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Foto Banner: Ernesto del Aguila III, NHGRI
