La Royal Swedish Academy of Science ha assegnato il Premio Nobel per la Chimica 2020 a Jennifer A. Doudna, Università di Berkeley in California, ed Emmanuelle Charpentier, Unit for Science of Pathogens dell’istituto Max Planck di Berlino, per “Lo sviluppo di un metodo per l’editing del genoma”.
La tecnologia sviluppata viene chiamata CRISPR-Cas9, più semplicemente CRISPR.
Le due ricercatrici non hanno creato o inventato nulla, hanno unito i puntini e utilizzato in modo alternativo una macchina molecolare che la natura metteva a disposizione.
Come riportato nel loro celebre articolo del 2012, pubblicato sulla rivista Science[1], sono state immediatamente evidenti le possibili applicazioni: uno strumento accessibile e programmabile per l’ingegneria genetica.
Nel 2005 lo scienziato Francisco Mojica, dell’Università di Alicante, aveva coniato l’acronimo CRISPR, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, cioè brevi sequenze ripetute intervallate da sequenze spaziatrici.
Il microbiologo spagnolo aveva osservato in diverse specie batteriche la presenza di geni così composti, molto peculiari. Ipotizzò che si trattasse di un sistema difensivo batterico[2]. Le sequenze spaziatrici, o spacer, corrispondevano infatti a frammenti di genoma virale, i batteri acquisivano una sorta di memoria immunitaria conservando delle porzioni geniche dei batteriofagi a cui sopravvivevano.
Nel 2011, la proficua collaborazione tra Doudna e Charpentier porterà alla comprensione dell’intero meccanismo. Il sistema difensivo batterico lavora in modo tale che tutte le sequenze CRISPR vengano espresse contemporaneamente, un unico RNA che poi verrà scisso in frammenti separati detti crisprRNA (crRNA). I crRNA verranno caricati dall’enzima Cas9, tramite un RNA ponte chiamato tracrRNA, e utilizzati come una fototessera del nemico con su scritto “WANTED”.
Cas9 è una nucleasi (enzima in grado di reagire con gli acidi nucleici) e come un paio di forbici riesce a tagliare il DNA arrestando l’infezione virale.
L’impiego in ingegneria genetica[3] prevede l’utilizzo della nucleasi Cas9 equipaggiata con un RNA guida (gRNA), progettato in laboratorio per fungere da bussola verso una porzione di DNA bersaglio. Come nel sistema difensivo batterico verrà effettuato un taglio del doppio filamento (DSB) di DNA, c’è però in questo caso la necessità di riparare l’interruzione nel genoma e riscrive i due filamenti.
I sistemi cellulari avanzati presentano dei meccanismi di riparazione molto sofisticati, per evitare che tutti i vari fattori interni ed esterni (calore, raggi UV, radiazioni, etc.) alterino sistematicamente il corredo genetico. Nel caso di DSB la cellula adotta un sistema di riparazione diretta per omologia (HDR), prende in prestito la sequenza dal cromatide fratello* e la utilizza come stampo per crearne una nuova.
Con CRISPR viene utilizzato uno stratagemma molto ingegnoso: accompagnare al complesso formato da Cas e gRNA, un RNA esogeno che combaci con le estremità del taglio che verrà effettuato. L’RNA esogeno inganna letteralmente i sistemi di riparazione cellulare che lo impiegano come uno stampo per la riscrittura delle porzioni tagliare da Cas9. Ovviamente se, per esigenza, le estremità devono essere identiche, la restante sequenza contiene le informazioni che vogliamo inserire.
In questa maniera può essere riscritta la porzione target includendo dei leggeri cambiamenti, anche di un solo nucleotide, oppure inserire interi geni inesistenti prima di allora.
Lo strumento diventa così equiparabile alla funzione “taglia e incolla” che troviamo sui nostri computer, o ancora meglio “trova e sostituisci”. Questa tecnologia è vista come un game changer, in grado di spalancare le porte su un intero mondo di possibilità.
*Ogni cromosoma è composto da due cromatidi idntici, o fratelli, con medesimi geni.
Fonti:
- Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science, 337(6096), 816-821. https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1225829
- Mojica, F. J.M. (2009). Short motif sequences determine the targets of the prokaryotic CRISPR defence system. Microbiology Society, 155(3), 733–740. https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/micro/10.1099/mic.0.023960-0#tab2
- Zhang, F. (2013). Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature protocols, 143(8), 2281–2308. https://www.nature.com/articles/nprot.2013.143
- Meldolesi, Anna. 2017. E l’uomo creò l’uomo: CRISPR e la rivoluzione dell’editing genomico. Torino: Bollati Boringhieri.
- Bioscience for farming in Africa, images. http://b4fa.org/
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