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Le applicazioni di CRISPR Cas9, Nobel per la Chimica 2020

Posted on 21 Ottobre 202020 Ottobre 2020 by Redazione Scienza&Salute

Il Nobel per la Chimica quest’anno è stato “vinto a parimerito” dalla chimica americana Jennifer A. Doudna e dalla biochimica francese Emmanuelle Charpentier.

Il metodo di modificazione del DNA da loro scoperto è attualmente, nelle sue nuove varianti, il più preciso conosciuto. Le applicazioni di CRISPR Cas9 provengono da scienziati di tutto il mondo, per esperimenti che spaziano dalla medicina, all’agroalimentare e alle energie pulite.

Qualche esempio in ambito zootecnico-alimentare

Partendo dall’ambito non medico, grazie alle applicazioni di CRISPR Cas9 è possibile realizzare degli OGM con una precisione ed efficienza mai viste prima:

Mais geneticamente modificato per produrre delle colle (evitando l’uso di idrocarburi o altre sostanze particolarmente tossiche per l’uomo e per l’ambiente)
La pianta erbacea Setaria viridis modificata per produrre biocarburante (che fa si che si che la CO2 prodotta sia stata prima sottratta all’ambiente, dalla fotosintesi delle piante modificate)
La Camelina sativa modificata per produrre notevoli quantità di omega3, noti protettori cardiovascolari (1)
Produzione di alimenti con più alto valore nutritivo per riuscire a nutrire più persone, risparmiando risorse in termini di acqua, disboscamento ed energia, aiutando i Paesi poveri con alimenti “supernutrienti”. Un esempio è il golden rice, un riso ricco di Beta carotene, vitamina essenziale per la vista (2)

Prima per realizzare simili modifiche occorrevano anni e milioni di dollari. Ad esempio bisognava infettare le piante con virus o batteri vettori che comunque avevano poca efficienza, dovuta ai precedenti metodi come ZFN o TALENs.

Un esempio di una possibile futura applicazione, stavolta quasi fantascientifica, potrebbe essere il “Riportare in vita” delle specie estinte, come i Mammut, prendendo il DNA dai fossili ed inserendolo in cellule dei loro più vicini discendenti, gli elefanti. (3)

Insomma, le applicazioni sono pressoché illimitate.

In ambito medico abbiamo già diversi esempi di applicazioni di CRISPR Cas9

Nel 2018 in Europa è iniziato un trial clinico per la cura della Beta Talassemia, malattia che richiede a chi ne è affetto trasfusioni di sangue continue. Essa è causata da un difetto dell’emoglobina contenuta nei globuli rossi.

Tramite CRISPR Cas9, prendendo le cellule staminali del sangue dei pazienti malati, è possibile correggere il loro difetto genetico (produzione dell’emoglobina anomala), quindi reinserirle nel corpo del paziente e una volta moltiplicatesi, esse andranno a produrre globuli rossi perfettamente funzionanti. (4)

In Cina ed in altri Paesi sono in corso studi per la cura dell’HIV. Nonostante infatti venga tenuta a bada dalle terapie antiretrovirali, rimane latente nel corpo dei sieropositivi in quanto il virus riesce ad integrarsi nel DNA del soggetto malato. Con CRISPR Cas9 gli scienziati cinesi sono riusciti ad eliminare totalmente il virus dal corpo dei ratti di laboratorio infettati con HIV.

Insomma, con CRISPR Cas9 qualunque patologia apparentemente incurabile sembra risolvibile. Infatti, tra le altre applicazioni future ci potrebbero essere:

Corea di Huntington
Leucemia Mieloide Acuta
Emofilia
Sarcoma di Ewing
Distrofia muscolare
Vari tipi di tumori (5)

E molte altre patologie, se si riconoscerà il gene difettoso e quindi si capirà cosa andare a “correggere”.

Il problema etico

Nel 2018, in Cina, due gemelle, Lulu e Nana, sono nate immuni all’HIV. Gli scienziati cinesi hanno modificato il loro DNA quando ancora erano degli embrioni, rimuovendo il recettore CCR5 dai loro globuli bianchi, recettore usato dal virus per infettare le cellule. (6)

Sembra un traguardo sensazionale ma, in primis, nessuno sa quali svantaggi comporterà in queste bambine la mancanza di tale recettore. Esso è infatti importante per i segnali con cui comunicano le cellule, come le interleuchine, il TNF ecc. Mancando, potrebbe sì proibire alle bambine di ammalarsi di HIV, ma al contempo potrebbe scatenare in loro nuove patologie sconosciute.

In secondo luogo, modificare fin dalla nascita un essere vivente perché non si ammali di una eventuale patologia, significa avvicinarsi pericolosamente al concetto di Eugenetica. A nascere e meritare la vita sarebbero solo gli individui geneticamente perfetti, facendo perdere da un lato l’eterogeneità della razza umana, importantissima sia in quanto tale, che per scongiurare un’estinzione della specie. Ad esempio, potrebbe nascere una malattia che attacca solamente gli “esseri perfetti”, che invece risparmia quelli con qualche difetto.

Senza dimenticare che le bambine non hanno chiesto di nascere con quella mutazione, che fintanto frutto del caso sarebbe “accettabile”, ma se provocata artificialmente pone un interrogativo: chi ha il diritto di decidere come dovrai nascere?

Magari oggi si inizia dall’evitare il contagio dell’HIV, per finire un giorno, in un futuro distopico, ad avere solamente soggetti con occhi verdi, o soggetti alti più di una determinata altezza.

Fortunatamente la comunità scientifica internazionale ha aspramente criticato tale comportamento, prendendone le distanze.

Conclusioni

Il traguardo tecnologico raggiunto nell’editing genomico con questa scoperta ha fatto sì che il Nobel per le scienziate Jennifer A. Doudna e Emmanuelle Charpentier sia arrivato molto in fretta, più che meritatamente. Di solito, infatti, passano anche decine di anni per l’assegnazione del premio.

Ben presto, una volta che i trial clinici già in atto e quelli futuri dimostreranno come migliorare la tecnica per evitare quei pochi effetti indesiderati, qualunque patologia genetica conosciuta sarà curabile. Con un po’ di ingegno, si potranno curare anche patologie come i tumori, magari modificando il sistema immunitario in modo che possa riconoscerli e attaccarli selettivamente (tecnica già in sperimentazione chiamata CAR-T).

Si potranno realizzare OGM sempre più efficienti che aiuteranno sia l’umanità che la natura, cercando di risparmiare risorse o salvare specie in pericolo.

Un grande grazie andrebbe urlato dal mondo intero a queste scienziate, donatrici di un nuovo potentissimo strumento nelle mani dell’umanità.
Starà a noi, come del resto vale per qualunque potente mezzo tecnico-scientifico, deciderne l’uso ed evitarne l’abuso.

Roberto Palazzolo

(1) https://www.lescienze.it/news/2018/01/16/news/crispr_genetica_piante_migliorate_ogm-3822923/

(2) https://www.lescienze.it/news/2020/03/17/news/il_nuovo_golden_rice_dell_era_crispr-4698594/

(3) https://www.focus.it/ambiente/animali/editing-genetico-per-creare-un-mammut-ibrido

(4) https://www.osservatoriomalattierare.it/malattie-rare/talassemia/13892-beta-talassemia-avviata-in-europa-la-prima-sperimentazione-clinica-con-crispr

(5) https://www.osservatoriomalattierare.it/malattie-rare/talassemia/13892-beta-talassemia-avviata-in-europa-la-prima-sperimentazione-clinica-con-crispr

(6) https://www.dday.it/redazione/33319/bambine-geneticamente-modificate-hiv-ricerca-mit

CRISPR Cas9 è Nobel per la Chimica 2020, cos’è?

Posted on 14 Ottobre 202014 Ottobre 2020 by Redazione Scienza&Salute

l Nobel per la Chimica quest’anno è stato “vinto a parimerito” dalla chimica americana Jennifer A. Doudna e dalla biochimica francese Emmanuelle Charpentier, per lo sviluppo di CRISPR Cas9, una tecnica di editing genomico.

In cosa consiste questa scoperta?

CRISPR cas9 è un metodo per “tagliare e cucire” il DNA nei punti che si desidera.

Ha già aiutato molti scienziati nello studio e nella cura di molte patologie, negli OGM e nella ricerca di base.

In molte malattie infatti, ci sono dei geni che sono difettosi o mancanti, oppure come nel caso dei tumori, mutati.

Tramite questo ingegnoso sistema è possibile andare a tagliare via il gene difettoso e sostituirlo con una copia sana dello stesso, guarendo in una sola volta e definitivamente una determinata patologia.

Ma non esistevano già tecniche di editing genomico?

Sì, ma non erano sicure.

L’editing genomico è una particolare tecnica di ingegneria genetica in cui si cancella, aggiunge o modifica, una porzione del DNA di un organismo vivente.

Sin dagli anni 2000, mappato il DNA, si è pensato che una volta capito quale fosse il gene difettoso in una determinata patologia, sarebbe bastato correggerlo per far guarire il malato dalla patologia stessa: nacque così la Terapia Genica.

Sì pensò all’inizio di utilizzare le proprietà di alcuni virus con trascrittasi inversa, capaci di inserirsi nel DNA della cellula infettata e vivere in essa per sempre, come ad esempio fa il virus dell’HIV. Questa tecnica tuttavia presentava degli svantaggi:

Non si riusciva a controllare dove il pezzo di DNA da voler aggiungere fosse inserito. Questo comportava che se da un lato si potesse curare una patologia genetica, dall’altro se ne sarebbe potuta procurare una nuova, visto che inserendo a casaccio del DNA, esso poteva essere letto scorrettamente o poteva far “sfalsare” il resto del DNA, che venendo letto male, avrebbe comportato la nascita di altre patologie genetiche.

Sarebbe come inserire una frase a caso in un libro, il lettore sarebbe confuso e potrebbe travisare il significato dell’intero paragrafo

ZFN e TALENs

Successivamente, sempre prima di CRISPR cas9, vennero utilizzate le tecniche ZFN (Zinc Finger Nucleases) e TALENs (Transcription activator-like effector nucleases). In queste due tecniche, venivano usate delle nucleasi, ovvero specifici enzimi che tagliano il DNA, per tagliare e successivamente inserire il DNA voluto all’interno del genoma dell’organismo.

Le “dita di zinco” sono delle particolari proteine che abbiamo tutti nelle nostre cellule, che consentono di legare il DNA in specifici punti, si è pensato quindi di modificare queste proteine per realizzare appunto la tecnica ZFN.

Crediti immagine: nature.com

Mentre per la TALEN ci si è ispirati a delle proteine dette TAL, provenienti dalle piante che le usano per difendersi da batteri o altri microorganismi, capaci anch’esse di legare il DNA in specifici punti e quindi tagliarlo. (1)

Crediti immagine: researchgate.net

Qual era il problema di queste due tecniche?

Che usavano delle proteine (strutture fatte da amminoacidi) per legare il DNA, che è fatto di nucleotidi. Questo comportava una certa imprecisione, visto che per quanto specifiche, sequenze di DNA simili a quelle che si volevano modificare potevano essere presenti in altre parti del DNA, andando quindi a ricadere nell’errore di modificare parti non volute del genoma, con tutte le possibili patologie che ne potrebbero derivare nel caso della cura di malattie, o di inefficienza parlando di OGM.

La svolta di CRISPR Ca9

Nel 2011, Emanuelle Charpentier, studiando un batterio patogeno per l’uomo, lo Streptococcus Pyogenes, si accorse che questo batterio aveva un’arma per difendersi dai Batteriofagi (virus che attaccano i batteri).

L’arma in questione era CRISPR. Letteralmente Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, traducibile con “brevi ripetizioni palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari”.

In pratica il batterio che era stato attaccato da un virus, ne memorizzava il DNA o RNA, inserendolo poi nel suo Genoma, per far sì che ad una eventuale reinfezione, trascrivendo l’RNA da quelle sequenze che aveva memorizzato tramite CRISPR, poteva produrre delle sequenze di RNA complementari a quelle del virus, bloccandolo e avendo così una sorta di “immunità” ad esso (questo meccanismo è conosciuto come “RNA interference”) (2)

Crediti immagine: researchgate.net

Non era nuovo questo meccanismo, in quanto fu notato per la prima volta nel 1993 dal biologo marino Francisco Mojica, in una serie di batteri.

Dove sta quel plus che ha fatto vincere il Nobel alle due scienziate?

Una scoperta quasi per caso:

L’intuizione della scienziata Charpentier, sta nel fatto di aver notato che questo meccanismo di difesa non usava proteine, ma RNA e DNA come strumenti principali per riconoscere il DNA, per cui aveva una precisione molto maggiore rispetto a qualunque tecnica di editing genomico fino ad allora conosciuta.

Così nello stesso anno, ha pensato insieme alla scienziata Jennifer Doudna, di iniziare a lavorare alla riproduzione in laboratorio del sistema CRISPR unito alla proteina (sempre batterica) Cas9, che è una endonucleasi, ovvero un enzima capace di tagliare il DNA.

Cas9, associata a CRISPR e altre proteine come transcrittasi e transattivasi, sarebbe stata in grado di tagliare uno specifico punto indicato dalla sequenza nucleotidica voluta, per poi inserire, sempre con la stessa precisione, un eventuale pezzo di DNA nel punto desiderato.

Dal 2012 la tecnica si è sparsa per il mondo ed è stata utilizzata per una miriade di esperimenti, dagli OGM, ai biocarburanti alla cura di tante patologie.

Il Nobel

Oggi, a distanza di soli 8 anni (un Nobel può richiedere decine di anni per essere assegnato, ma la loro scoperta è talmente importante da aver impiegato pochissimo tempo per essere riconosciuta), le scienziate Charpentier e Doudna ricevono il più ambito dei riconoscimenti scientifici.

Questa scoperta mostra come oltre allo studio, che alla lunga paga, una buona intuizione ed una vivace creatività sono le armi migliori di uno scienziato.

Dalla semplice osservazione del sistema immunitario di un batterio, le scienziate sono riuscite a ricavare un potentissimo strumento che aiuterà l’umanità negli anni a venire, in innumerevoli campi tecnico-scientifici.

Grande plauso quindi a queste grandi scienziate, che possano continuare a migliorare il mondo grazie ad una delle più preziose e nobili attività umane, la ricerca scientifica, e che questo meritatissimo premio possa essere d’ispirazione per le generazioni odierne e future!

(1) https://upbiotech.wordpress.com/2019/05/27/lediting-genomico-prima-di-crispr-cas/

(2) https://elifesciences.org/articles/13450

Roberto Palazzolo

Cosa sono gli OGM

Posted on 15 Febbraio 201915 Febbraio 2019 by Redazione Scienza&Salute

Quando pensiamo alla parola OGM ci viene in mente Hulk, radiazioni o qualcosa di sicuramente tossico per la vita.

Bisognerebbe affrontare questa questione senza pregiudizi e con molta pazienza poiché comprenderla a fondo non è per nulla facile. Intorno a questo argomento si scontrano due definizioni di OGM: quella scientifica e quella giuridica. La definizione scientifica di Organismo Geneticamente Modificato comprenderebbe tutti quegli esseri viventi che hanno modificato il loro patrimonio genetico a causa di un qualsiasi agente mutageno. La definizione giuridica, invece, identifica come OGM solo quegli organismi il cui DNA sia stato modificato da tecniche d’ingegneria genetica. Confusi? E’ normale.

Modificare il DNA non è un’invenzione dell’uomo bensì della natura. I batteri ad esempio si scambiano, attraverso il fenomeno della coniugazione, frammenti di DNA per poter condividere materiale genetico utile alla sopravvivenza della specie. Il virus dell’HIV modifica ad una velocità impressionante il proprio genoma durante la riproduzione e non sembra risentirne molto, anzi, questo sembrerebbe un meccanismo che utilizza per poter avere in natura una notevole diversità biologica e avere quindi più possibilità di sopravvivenza. Proprio a causa di questa elevata diversità, per esempio, non siamo ancora riusciti a trovare un vaccino valido contro questo patogeno.

Allo stesso tempo gli incroci spontanei tra piante, che avvengono in natura durante l’impollinazione, danno vita ad esseri viventi, che se riescono a crescere e a svilupparsi, sono considerati nuove specie. L’uomo mangia e coltiva organismi geneticamente modificati da quando è diventato un coltivatore oltre che cacciatore. Gli incroci artificiali che l’uomo ha tentato durante i secoli, come ad esempio il mandarancio, sono tutti organismi che hanno subito delle modifiche del proprio DNA. Con tutti questi esempi voglio evidenziare come il termine “modificati geneticamente” non ha di per se una connotazione positiva o negativa, ma semplicemente sta a sottolineare che quell’organismo ha subito una modifica del proprio DNA.

Il DNA come sappiamo dalle superiori è quella molecola su cui sono “scritti” i caratteri di quell’essere vivente. L’altezza, il sesso e il colore degli occhi sono solo alcuni esempi di caratteri determinati dal tuo DNA. Possiamo immaginare il DNA come un libro sul quale sono scritte le indicazioni con le quali si costruisce un essere vivente. Tutti gli esseri viventi, quindi animali, piante, virus e batteri, hanno al loro interno questo grande libro scritto nella medesima lingua.

L’ingegneria genetica è quella branca delle biotecnologie che ha lo scopo di costruire pagine artificiali di questo libro e di incorporarle nel grande libro di un essere vivente che può essere un virus, un batterio oppure lo zigote che darà vita ad un animale pluricellulare.

Queste tecniche hanno molte applicazioni, una tra queste è la produzione dell’insulina. Quest’ultima è un ormone del nostro corpo che ha la funzione di abbassare la glicemia. Prima degli anni ottanta tutti i preparati insulinici industriali venivano prodotti grazie al pancreas di bovini e di suini, ma era un processo di estrazione abbastanza complesso.

La quantità di insulina è infatti molto scarsa e per produrre un flaconcino ci volevano circa sei mesi. Inoltre, le insuline di origine animale contengono impurità, che provocavano intolleranze e reazioni allergiche. Da quando le tecniche di ingegneria genetica si sono ottimizzate, abbiamo iniziato ad usare batteri (Escherichia Coli) per produrre l’insulina. Abbiamo aggiunto le istruzioni sul loro DNA di come costruire l’insulina e questi microscopici organismi hanno iniziato a produrla come dei dannati e senza stipendio. L’insulina è il primo prodotto farmaceutico, assieme all’ormone della crescita, ad essere stato ottenuto con l’uso della tecnologia del “DNA ricombinante” (che potremo anche chiamare “Libro Riscritto”).

Le applicazioni di questa tecnica sono pressoché infiniti e le potete trovare al seguente link https://it.wikipedia.org/wiki/Organismo_geneticamente_modificato

Ora capire cos’è un OGM è più semplice. Un OGM sono tutti quegli organismi che otteniamo mediante tecniche di DNA ricombinante. Quel batterio che produce l’insulina per i diabetici di tutto il mondo è un OGM. Un organismo il cui DNA viene modificato da agenti mutageni differenti da questa tecnica di laboratorio secondo la giurisdizione non è un OGM.

Come si può ben vedere il concetto di OGM nella Scienza e nella giurisdizione è ben diverso.

Nell’immagine a destra, troviamo un mandarancio e del grano, entrambi sono stati prodotti da incroci o da modifiche del DNA attraverso radiazioni; più a destra, invece, troviamo del mais ottenuto con la tecnica di ingegneria genetica e solo questo è OGM, anche se sotto il profilo scientifico tutti e tre hanno subito delle modificazioni del proprio DNA.

Vi voglio un secondo parlare del grano creso, un cereale molto diffuso in Italia per moltissimi prodotti alimentari.(http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it/2008/09/29/radiazioni-nucleari-nell’orto/)

Intorno al 1950 i ricercatori dell’ENEA hanno bombardato una varietà di grano con raggi X altamente radioattivi. Queste hanno riscritto alcune pagine del DNA di questi grani in maniera assolutamente casuale e pressocché impossibile da prevedere. Alcune di queste pagine erano ormai impossibili da leggere e le piante morirono, altre invece crebbero. Tra queste varietà di grani fu scelto il cosiddetto grano creso. Questo prodotto non è assolutamente nocivo per la nostra salute; il fatto che il suo DNA sia stato riscritto da radiazioni non significa che il grano è radioattivo. Inoltre questo grano NON E’ considerato dalla giurisdizione OGM anche se ha subito una notevole quantità di modifiche.

Ora tutti noi ci staremo chiedendo: ma sono davvero pericolosi questi OGM? Allo stato attuale delle cose, la Scienza non ha in nessun modo comprovato la loro pericolosità. Potrebbero far sì che le coltivazioni siano più resistenti alle condizioni climatiche ed ai vari insetti, con quindi l’abolizione completa dell’uso dei pesticidi che oltre ad inquinare, potrebbero essere dannosi per l’uomo. Sui pesticidi non si attuano tanti controlli quanti se ne attuano sugli OGM, eppure la percezione di massa su questi alimenti è molto negativa.

Bisogna certamente rimanere con i piedi per terra e fare attenzione all’uso di queste tecniche di avanguardia, ma bisogna evitare di vedere questi organismi nocivi per la nostra salute. Mangiare biologico o naturale non significa niente dal punto di vista scientifico. Non esiste cosa più naturale di altra. Se vi starete chiedendo se nella vostra vita avete mangiato OGM la risposta è molto probabilmente sì perché: “L’Italia non permette la coltivazione di piantagioni OGM, ma ne permette la sua importazione e la sua vendita.” Il perché non lo comprendo, ma è una delle tante contraddizioni che caratterizzano il nostro paese.

Francesco Calò

Fonti e per approfondire:

https://www.econopoly.ilsole24ore.com/2017/11/10/ogm-non-ci-piacciono-pero-ne-importiamo-e-mangiamo-un-bel-po/?refresh_ce=1

http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it/2008/09/29/radiazioni-nucleari-nell’orto/

http://italiaxlascienza.it/main/2018/02/ogm-la-grande-paura/

https://www.youtube.com/watch?v=ZWMaq6fpuZo

https://www.youtube.com/watch?v=Ntzuoz815jw

https://www.youtube.com/watch?v=tQbA1vXdlVc

https://www.youtube.com/watch?v=elggEK1jn7U