Il sistema CRISPR/Cas9 e il progresso delle scienze

Il suo nome è CRISPR, che significa Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Il nome non deve però spaventare perché si tratta di una vera e propria rivoluzione in biologia molecolare. È iniziata nel 2012 e le conseguenze in molti settori della ricerca scientifica di base e applicata sono già sotto gli occhi di tutti gli scienziati che ci lavorano.
Thomas Vaccari, 25 Gennaio 2016
Micron
Micron

Università degli Studi di Milano Statale

 

Dice Eric S. Lander, uno degli scienziati più famosi al mondo, su Cell, una delle più importanti riviste scientifiche al mondo, che quella del sistema CRISPR/Cas9 è una scoperta scientifica alla pari della PCR(Polymerase Chain Reaction).
La PCR 30 anni fa rivoluzionò la biologia molecolare e fruttò il Nobel al suo inventore Kary Mullis. Ad oggi, non c’è laboratorio di ricerca di base, o di diagnostica, che non la usi. La PCR ha permesso di fotocopiare ad libitum sequenze di DNA a partire da 4 elementi semplici e uno scaldino, prendendo spunto da come i batteri copiano il loro DNA quando si dividono.
Il sistema CRISPR/Cas9 (l’acronimo sta per Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) prende spunto da come in batteri si difendono dai loro predatori, i virus batteriofagi, e permette di modificare il DNA, l’acido nucleico alla base della vita, con un’efficienza senza precedenti. Di CRISPR/Cas9 ho già scritto tempo fa su Scienza in rete a cui vi rimando per un approfondimento. Qui voglio spiegare quali sono le caratteristiche e applicazioni del sistema CRISPR/Cas9, e perché vale la pena di saperne di più.
L’enzima Cas9, che è il cuore del sistema, è una microscopica forbice molecolare che taglia molto precisamente ovunque si voglia nel genoma. I batteri lo usano per fare a fette il DNA dei batteriofagi. Chi sa un po’ di biologia riconoscerà che Cas9 non è molto diverso dagli enzimi di restrizione. Anch’essi sono derivati da una sorta di sistema immunitario batterico contro batteriofagi, e li usiamo da quasi mezzo secolo oramai per modificare il DNA in laboratorio. Vero, ma gli enzimi di restrizione sono forbici non programmabili che tagliano riconoscendo sequenze specifiche e limitate. Un po’ come una parola d’ordine che apre solo la porta corrispondente. Cas9, nella sua versione ingegnerizzata, può essere programmato per riconoscere qualsiasi sequenza di DNA. Basta fornirgli una corta sequenza di acido nucleico complementare a quella del DNA da tagliare. Quindi si è passati dalla parola d’ordine a un bel abracadabra che apre tutte le porte.

Let’S CRISPR IT!
Che cosa si può fare ora che siamo in possesso del suddetto “abracadabra”? Partiamo da alcune delle cose (ora diventate) semplici: per esempio, si possono disabilitare geni a piacere sfruttando il fatto che i tagli nel DNA, se fatti all’interno di una cellula, vengono ricuciti dal sistema di riparazione del DNA presente in tutte le nostre cellule. Qualche volta la riparazione avviene in modo inesatto creando delle mutazioni che spesso inattivano il gene bersaglio di Cas9. Il taglio può anche fungere da cavallo di Troia per inserire elementi a piacere nel DNA, ma questo è ancora parecchio complicato da far funzionare. Il sistema ha trovato già una miriade di applicazioni, dalla ricerca di base, passando per l’agronomia e le malattie infettive, e finendo con oncologia. Facciamo qualche esempio di queste tre applicazioni.
Vogliamo studiare la funzione di un gene particolare in un organismo che non si presta ad approcci tradizionali in laboratorio? Let’s CRISPR it!– letteralmente CRISPRiamolo; in America per gli addetti ai lavori CRISPR e già un verbo. Negli ultimi 3 anni ciò è stato fatto in più di 20 organismi diversi, alcuni mai prima geneticamente modificati. Chi ha problemi con Mais transgenico e salmoni giganti avrà a breve di che divertirsi.
Vogliamo sbarazzarci di un patogeno che infesta una coltura o causa una malattia? Bene! Armiamo Cas9 come fosse un proiettile contro un gene essenziale della antipatica bestiola, diffondiamo nella popolazione del patogeno o del suo vettore delle versioni che contengono nel DNA il gene stesso di Cas9 e la sequenza per trovare il suo target e – boom – sgominiamo tutta la popolazione in poche generazioni. Quest’ultima applicazione, chiamata CRISPR/Cas9 gene drive, già funziona in laboratorio in un paio di insetti tra cui il vettore della malaria. Ethan Bier, il ricercatore che ha condotto alcune di queste ricerche ha detto che il sistema promette di eradicare non solo la malaria ma anche molte altre malattie infettive diffusissime. Allo stesso tempo il CRISPR/Cas9 gene drive è molto discusso e temuto nella comunità scientifica e biotecnologica. Infatti, è per ora assolutamente ristretto ad ambienti controllati di laboratorio. Si teme che la possibilità di modificare rapidamente e prepotentemente organismi prima che l’evoluzione naturale abbia tempo di controbattere sfugga al nostro controllo una volta introdotta in ambiente aperto, come stesso Bier ha ricordato. Un proiettile d’argento che porta molti rischi per ora.
E ancora: vogliamo bloccare un oncogene che è attivato in modo indiscriminato in un tumore? Facciamolo a fettine con Cas9! Vogliamo riattivare un soppressore tumorale danneggiato? stimoliamone la riparazione con Cas9. Vogliamo riparare una traslocazione, un difetto del DNA alla base di molti tumori, facciamolo con Cas9. Molte di queste applicazioni rimangono per ora nella fertile fantasia di alcuni ricercatori, ma le prime prove di principio che queste strategie possano funzionare già esistono. Per esempio, l’anno scorso Andrea Ventura, un ricercatore Italiano a New York ha dimostrato per la prima volta che funziona il contrario. Cioè ha armato un Cas9 per creare una traslocazione, che ha indotto un tumore al polmone in alcuni roditori da laboratorio. In più per portare Cas9 efficientemente solo nei polmoni e non danneggiare il genoma altrove ha usato un virus modificato. Anche se ciò ricorda la trama di un film di fantascienza a base di bioterrorismo, questo studio ha dimostrato a tutti noi ricercatori le grandissime potenzialità di Cas9 nel campo della medicina oncologica.

ANCHE L’INDUSTRIA GUARDA A CRISPR CON INTERESSE
L’industria biomedica ha preso velocemente nota. Già due anni fa è nata EDITAS, una delle molte biotech nate oltreoceano, che si ripromette di domare il sistema CRISPR/Cas9 per farne non solo farmaci ma anche trattamenti personalizzati. Dopotutto, si sa che il nostro DNA, come quello di chi tra noi svilupperà un tumore, è diverso da individuo a individuo. Quello delle cellule tumorali muta anche velocemente, in una sorta di evoluzione accelerata che contrasta e limita l’efficacia di molti farmaci oggi esistenti. Cas9 porta con se la possibilità di farmaci molto più efficaci. Risolverebbero alla radice i problemi causati dal cancro, “curandone” direttamente il DNA. Inoltre i farmaci potranno essere personalizzati, perché fatti su misura per il DNA del paziente e modificati velocemente per seguire l’evoluzione della malattia.
Proprio EDITAS, fondata da chi ha contribuito alle scoperte su CRSIPR/Cas9 al MIT e a Harvard, e la cugina CARIBOU, fondata dagli omologhi dell’università della California a Berkeley, sono ora al centro di una lotta sull’assegnazione del brevetto che si trascina da più di un anno. Lander che è il direttore scientifico del MIT si è inserito nella contesa con l’articolo di cui accennavo all’inizio. “E’ in chiaro conflitto di interesse”, ha tuonato nella Twittersfera Mike Eisen, un biologo di Berkeley e spesso voce critica della comunità scientifica. Con lui, molti altri hanno convenuto che Lander abbia minimizzato il contributo degli scienziati di Berkeley. La principale è peraltro una donna. Già si evoca il fantasma di Rosalind Franklin, colei che fu esclusa dal Nobel per la struttura del DNA che aveva scoperto allo stesso tempo di Watson and Crick. Non è solo una questione di prestigio scientifico. Se si guarda alla storia della PCR e degli enzimi di restrizione, i diritti di sfruttamento, ormai scaduti, non ne hanno mai impedito la diffusione e l’uso. Ma entrambi non hanno avuto applicazioni massive al di fuori della biologia molecolare e non sono mai stati trasformati in farmaci. Col sistema CRISPR/Cas9, come abbiamo detto, le possibilità sono quasi infinite, quanto le basi nel genoma umano che l’enzima può tagliare.
Le caratteristiche del sistema CRISPR/Cas9 non sono il frutto di “intelligent design” come piacerebbe ad alcuni dei nostri cugini di oltreoceano, ma piuttosto il risultato di una straordinaria storia evolutiva che, nel caso di CRISPR/Cas9 è emersa prepotentemente negli ultimi 5 anni grazie a un lavoro corale di molti scienziati intorno al mondo. Anche l’enzima DNA polimerasi, che permette alla PCR di funzionare, riconosce il DNA da fotocopiare allo stesso modo di Cas9, mentre gli enzimi di restrizione tagliano il DNA in modo simile a Cas9. Ciò è perché’ tutti questi sistemi derivano da enzimi ancestrali che hanno agevolato l’emergenza della vita. Anche noi ne sfrutteremo la conoscenza per migliorarci l’esistenza. Guardando da lontano si capisce che la scoperta di CRISPR/Cas9 è un altro pezzettino di una rivoluzione più grande che sta portando le scienze della vita verso un uso maturo delle conoscenze. Come la fisica ci ha portato prima la meccanica e tutte le sue macchine, e poi l’elettronica e tutti i suoi smartphone, la biologia ci sta portando verso la capacità di propagare la vita trascendendo le nostre origini? Chi vivrà – più a lungo e più sano grazie al progresso delle scienze – vedrà.

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