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Premio Nobel alle ideatrici del modello CRISPR/Cas9: scopriamo cos’è e come funziona

Premio Nobel alle ideatrici del modello CRISPR/Cas9: scopriamo cos’è e come funziona

Il premio Nobel per la chimica 2020 è stato assegnato alle due donne che hanno dimostrato come il modello batterico CRISPR/Cas9 possa essere applicato nella modificazione genomica

Noto già da diversi anni, il modello di editing genomico CRISPR/Cas9 ha reso protagoniste di questi giorni le due donne che hanno sviluppato l’idea rendendola realtà, ma cos’è di preciso? Come funziona questo modello e perché è ritenuto così rivoluzionario per la scienza?

Un premio al femminile

Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna sono le donne più citate di questi giorni, essendo le due scienziate che hanno ricevuto il premio Nobel per la Chimica, per il loro fondamentale contributo nella realizzazione del sistema molecolare CRISPR/Cas9 che ha rivoluzionato il modo di modificare il genoma degli organismi.

Il sistema è rivoluzionario perché apre enormi prospettive al futuro della scienza che si occupa di editing genomico, non solo per le modifiche a specie alimentari di interesse economico, ma anche a modifiche sul DNA umano. Il modello consiste nel direzionare in maniera altamente specifica una proteina (Cas9) verso un pezzetto di DNA di nostro interesse, che Cas9 taglierà ed eliminerà dal genoma, permettendo la sostituzione di un altro pezzo di DNA da noi selezionato, da inserire nel vuoto genomico che si è creato a seguito del taglio. In questo modo si potrà dunque cambiare in modo altamente affidabile un pezzo di DNA, magari difettoso, con un altro.

È inoltre rivoluzionario perché è preciso, non invasivo e soprattutto, economico.

Le origini del modello

Come sempre le migliori innovazioni nascono dall’osservazione dei fenomeni naturali, e anche in questo caso l’idea di questo modello di editing genomico, nasce da studi sulla formazione di una primitiva forma di difesa immunitaria all’interno dei batteri. I batteri sono microrganismi procarioti, unicellulari, e come tali hanno i propri virus che li infettano. I virus che infettano i batteri sono detti batteriofagi (o fagi), e alcuni batteri hanno sviluppato un meccanismo di difesa da questi attacchi virali, integrando all’interno del loro genoma trascrizioni a RNA di pezzetti di DNA fagico (di circa 20pb), in modo da poterlo riconoscere se dovessero subire altri attacchi dallo stesso fago, esattamente come farebbe il nostro sistema immunitario.

La regione sul genoma batterico in cui si accumulano queste sequenze ricopiate dal DNA fagico, “memorie” delle passate e superate infezioni, si chiama per l’appunto, CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Queste sequenze servono alla cellula batterica per difendersi da successive infezioni, poiché associato a questa zona CRISPR c’è un gene che codifica per la proteina Cas9. Essendo una nucleasi, un enzima che taglia il DNA, la proteina Cas9 svolge il ruolo di “forbice molecolare” e agisce tagliando il DNA estraneo del batteriofago, nelle successive infezioni, in un punto ben preciso chiamato sequenza PAM, inattivando la funzione virale.

Ma come fa Cas9 a sapere qual è il punto esatto dove tagliare? Glielo dice un piccolo RNA (tracrRNA) che si associa a ciascuna sequenza virale registrata nella regione CRISPR (crRNA), in modo da far capire a Cas9 “chi è il nemico da tagliare”, perché lo legge dalla libreria di sequenze CRISPR conservate.

 

Genome Editing

L’idea geniale è stata quella di pensare che il modello CRISPR/Cas9 presente nel primitivo sistema immunitario dei batteri, potesse essere un’applicazione molto vantaggiosa nel campo dell’editing genomico, sfruttando l’abile riconoscimento di Cas9 delle sequenze genomiche, per poter tagliare e modificare un qualsiasi pezzo di DNA di nostro interesse. Ovvero, essendo Cas9 molto preciso se associato al suo “RNA guida”, se l’RNA guida lo decido io, Cas9 taglierà il genoma dove voglio io.

Ed effettivamente funziona. It works! Basterebbe dunque produrre specifici RNA guida per Cas9, per ogni sequenza del genoma che io voglio tagliare, Cas9 riconoscerà la sua “sequenza PAM” e taglierà nel punto giusto, in maniera incredibilmente precisa ed accurata. Questo riduce non soltanto i costi dell’editing genetico (gli RNA guida sono estremamente economici e facili da sintetizzare), ma anche i tempi: un lavoro di modifica che avrebbe richiesto mesi e mesi, con il modello CRISPR/Cas9 richiederebbe poche settimane.

Il taglio provocato da Cas9 sul DNA fagico inibiva la funzione virale perché inattivava il DNA non più integro. Ma in una cellula, una rottura sul DNA è un evento assolutamente inaccettabile, e fa scattare tutta una serie di sistemi di allarme interni alla cellula stessa, che provvederà con i mezzi a disposizione (complessi di enzimi che “rattoppano” il DNA) per cercare di riunire le estremità tagliate ed evitare in ogni modo la perdita di materiale genetico. Possiamo però inserire all’interno del modello, un pezzo di DNA che vogliamo che il sistema di “patching” inserisca esattamente nel vuoto generato da Cas9. In questo modo potremmo tagliare un pezzo che vogliamo eliminare per sostituirlo con uno che invece vogliamo introdurre.

Vien da sé la comprensione delle enormi potenzialità di queste forbici molecolari: si potrebbe con questo metodo sostituire pezzi di DNA difettoso con sequenze invece corrette, con possibili applicazioni nella cura delle malattie genetiche; possiamo indirizzare Cas9 verso specifici tessuti, o verso specifiche cellule tumorali, per correggere il danno genetico solo in quelle cellule. La ricerca sta viaggiando verso il perfezionamento di questo metodo per renderlo utilizzabile potenzialmente in qualsiasi contesto di editing genomico, con sempre maggior precisione e delivering corretto delle nostre forbicine enzimatiche.

È o non è una cosa davvero rivoluzionaria?

E tu che ne pensi? Faccelo sapere!

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