Premio Nobel per la chimica assegnato per le “forbici genetiche” CRISPR
Una lezione di scienza umiliante è che, anche quando si tratta di molte delle invenzioni più brillanti dell'umanità, la natura è arrivata prima. La selezione 2020 per il Premio Nobel per la chimica va a due scienziati che condividono il merito di aver identificato e sviluppato un metodo rivoluzionario di modifica del genoma, che ha permesso ai ricercatori di modificare e studiare i genomi di cellule microbiche, vegetali e animali con facilità e precisione e un'efficacia che sarebbe stata insondabile anche un decennio fa. Eppure la tecnologia che è uscita dal loro lavoro, rivoluzionaria com'è, nasce da un'innovazione che si è evoluta per la prima volta nei batteri, probabilmente più di un miliardo di anni fa, e fino a poco tempo fa è passata inosservata.
Emmanuelle Charpentier della Max Planck Unit for the Science of Pathogens Institute for Infection Biology e Jennifer Doudna dell'Università della California, Berkeley, sono state riconosciute per il loro lavoro sull'editing del genoma CRISPR / Cas9, una tecnica comunemente chiamata CRISPR in breve e spesso citata come "forbici genetiche". Questo premio segna la prima volta che due donne ricevono un premio Nobel per la scienza.
In un seminale documento del 2012 , Charpentier e Doudna hanno dimostrato che i componenti chiave dell'antico sistema immunitario trovati in batteri e archeobatteri potevano essere riorganizzati per modificare il DNA, essenzialmente "riscrivere il codice della vita", come ha affermato questa mattina il comitato per il Nobel.
Negli otto anni trascorsi da allora, la scoperta ha trasformato le scienze della vita, rendendo l'editing del genoma un luogo comune nei laboratori di tutto il mondo. Ha consentito ai ricercatori di sondare le funzioni dei geni a piacimento, spingendo avanti a passi da gigante il campo della biologia molecolare; innovare nuovi metodi di miglioramento genetico delle piante; e per sviluppare nuove promettenti terapie geniche, alcune ora in sperimentazione clinica, per condizioni come l'anemia falciforme.
La selezione del comitato per il Nobel sarà senza dubbio accolta come controversa a causa di controversie ben pubblicizzate sulla proprietà intellettuale associata a CRISPR. Virginijus Šikšnys dell'Università di Vilnius in Lituania ha sviluppato in modo indipendente l'idea di utilizzare queste caratteristiche genetiche dei batteri come strumento di modifica del genoma all'incirca nello stesso periodo di Charpentier e Doudna, e talvolta è stato premiato insieme a loro . Altri due scienziati, Feng Zhang del Massachusetts Institute of Technology e George Church dell'Università di Harvard, sono spesso accreditati come primi co-scopritori e sviluppatori della tecnologia CRISPR, e la loro esclusione alimenterà le discussioni. Tuttavia, nessuno nella comunità scientifica contesterebbe che il lavoro di Charpentier e Doudna abbia gettato le basi per l'uso prolifico e rivoluzionario di CRISPR oggi.
Cos'è il sistema CRISPR / Cas?
La storia di CRISPR / Cas è iniziata con l'osservazione alla fine degli anni '80 e all'inizio degli anni '90 che la maggior parte degli organismi procarioti – inclusi molti batteri e quasi tutti gli archei – hanno una struttura strana nel loro genoma. Una parte del loro DNA è costituita da molte sequenze di basi brevi e distintamente ripetitive, intervallate da altre brevi sequenze variabili "spaziatori". I biologi hanno chiamato questa struttura CRISPR (per brevi ripetizioni palindromiche regolarmente intervallate in cluster). Adiacente ad esso è un sistema di geni associato a CRISPR (Cas) per enzimi che possono tagliare il DNA. Successivamente, gli scienziati si sono resi conto che il DNA nelle sequenze spaziatori era identico ai frammenti di DNA virale.
Questa disposizione ha spinto un team di ricercatori francesi a proporre nel 2005 che per i batteri, il sistema CRISPR / Cas potrebbe servire come una sorta di sistema immunitario per combattere gli aggressori virali persistenti. Hanno suggerito che quando i batteri sono sopravvissuti a un'infezione virale, hanno immagazzinato minuscoli frammenti di DNA virale recuperato nella parte CRISPR del proprio genoma per riferimento futuro – una configurazione che i ricercatori hanno descritto come "un ricordo di passate 'aggressioni genetiche'". Se la stessa cosa virus ha attaccato di nuovo quei batteri oi loro discendenti, i batteri potrebbero in qualche modo usare il DNA virale in archivio per dirigere gli enzimi Cas verso gli invasori per eliminarli rapidamente.
La tecnologia sviluppata da Charpentier e Doudna ha preso in prestito questa precisa capacità di taglio del genoma dai batteri e l'ha trasformata in uno strumento di modifica del genoma più generale, con la struttura genetica CRISPR come strumento di targeting e l'enzima Cas9 per eseguire il taglio.
In che modo Charpentier e Doudna hanno riutilizzato CRISPR per l'editing genetico?
Charpentier e Doudna hanno iniziato delineando il meccanismo molecolare coinvolto nella difesa batterica CRISPR / Cas9 contro ripetuti invasori virali. In sostanza, quando un virus attacca, i batteri sopravvissuti incorporano un pezzo del DNA virale nel loro array CRISPR. Se quel virus attacca di nuovo loro oi loro discendenti, i batteri trascrivono la parte di CRISPR che contiene il DNA virale nell'RNA. La molecola di RNA, insieme ad una seconda molecola di RNA precedentemente identificata da Charpentier, guida la proteina Cas9 verso il bersaglio: il corrispondente DNA del virus che tenta di invadere nuovamente. Lì, il complesso molecolare svolge il suo ruolo di forbici genetiche, tagliando il DNA virale e disarmando l'invasore.
Per trasformare questo in uno strumento di modifica genetica più generalizzato, Charpentier e Doudna, insieme ad altri colleghi, hanno fuso i due tipi di RNA in un unico "RNA guida". Hanno dimostrato che, insieme a Cas9, questo sistema più snello poteva individuare e tagliare il DNA virale in una provetta.
L'editing di CRISPR può comportare un minimo di quello: la rimozione di alcuni geni o tratti di DNA. Ma gli scienziati hanno anche scoperto come sfruttare i meccanismi di riparazione naturale della cellula per introdurre sequenze di DNA di loro produzione nel sito del taglio chirurgico, consentendo loro di aggiungere nuovo codice genetico o correggere alcune mutazioni.
Cosa rende CRISPR migliore di altre tecniche per modificare i genomi?
I ricercatori sono stati in grado di utilizzare tecniche di modifica genetica ricombinante "taglia e incolla" per modificare le cellule dagli anni '70. Ma quei metodi, che erano anche basati su enzimi batterici presenti in natura, non avevano il livello di precisione che CRISPR può raggiungere. Ciò era in parte dovuto al fatto che tali approcci ricombinanti spesso non potevano mirare a sequenze di DNA uniche con sufficiente precisione: potevano eseguire il taglio in una posizione non intenzionale lungo il genoma, con risultati imprevedibili. Gli enzimi potrebbero essere progettati per indirizzare sequenze più lunghe con maggiore specificità, ma questo è stato un processo molto più arduo e complesso di quanto non lo sia con CRISPR. La facilità d'uso ha contribuito enormemente a rendere CRISPR onnipresente.
Questo non vuol dire che CRISPR sia privo di sfide. Potrebbe comunque provocare modifiche accidentali, ad esempio, o causare reazioni indesiderate in un organismo (inclusa una risposta immunitaria). Per questo motivo, gli scienziati stanno continuando a lavorare allo sviluppo di versioni più sofisticate di CRISPR.
CRISPR inoltre non è necessariamente lo strumento migliore per ogni lavoro, né l'ultima parola nelle tecnologie di modifica del genoma. Gli scienziati stanno anche utilizzando l'interferenza dell'RNA (RNAi) ed enzimi come le nucleasi effettrici simili ad attivatori di trascrizione (TALEN) e le meganucleasi per riscrivere i genomi. Inoltre, alcuni ricercatori stanno ora sviluppando strumenti per l'editing del genoma che non sfruttano i meccanismi naturali delle cellule per riparare il DNA nel modo in cui lo fanno CRISPR e TALEN. Invece, stanno trovando modi basati sull'epigenetica e metodi che riscrivono il DNA una base alla volta.
Quali controversie circondano l'uso di CRISPR?
Le tecnologie per alterare deliberatamente il genoma sono sempre state impantanate in controversie, sia sul loro uso etico che sui potenziali pericoli posti dagli organismi ingegnerizzati. CRISPR non è stato diverso, soprattutto perché è già stato utilizzato per modificare le cellule microbiche, vegetali e animali, comprese le cellule umane, poiché gli scienziati cercano cure per gli ospiti di condizioni genetiche. La facilità d'uso di CRISPR rende degno di considerazione il potenziale per un'azione avventata.
Nel 2018, il ricercatore He Jiankui ha sbalordito il mondo quando ha riferito di aver usato CRISPR per modificare i genomi di due gemelli nel tentativo di renderli resistenti all'HIV, riaccendendo dibattiti di lunga data sull'etica dell'editing genetico. L'annuncio è stato immediatamente seguito da una diffusa condanna da parte della comunità scientifica in generale, inclusa la stessa Doudna , che ha definito l'opera orribile, rischiosa e prematura. (Doudna è stata attiva nell'incoraggiare la comunità scientifica internazionale a sviluppare solide linee guida per l'uso di CRISPR.)
Ma l'etica dell'editing della linea germinale non è l'unica preoccupazione degli scienziati riguardo ai potenziali usi di CRISPR. Un altro riguarda il modo in cui potrebbe essere applicato per creare quelli che sono noti come gene drive , che consentono ai ricercatori di aumentare notevolmente le possibilità che un tratto di interesse venga trasmesso da un genitore alla sua prole. Sebbene questo sia stato tentato solo in ambienti di laboratorio fino ad oggi, alcuni scienziati sperano di usarlo un giorno per controllare specie invasive e insetti portatori di malattie in natura. Secondo i recenti sforzi di modellizzazione, tuttavia, ciò potrebbe comportare un rischio preoccupante che il gene drive si diffonda oltre la sua popolazione target e fuori controllo.
Di conseguenza, i ricercatori stanno procedendo con cautela quando si tratta di applicazioni controverse delle tecnologie CRISPR. Ma non si può negare che CRISPR abbia lanciato la scienza di base e la ricerca sulle malattie in una nuova era.
Questo post è stato aggiornato con ulteriori dettagli sul lavoro premiato.
Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno vinto quest'anno il Premio Nobel per la Fisica e Harvey Alter, Michael Houghton e Charles Rice hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina .
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/2020-nobel-prize-in-chemistry-awarded-for-crispr-to-charpentier-and-doudna-20201007/ in data Wed, 07 Oct 2020 10:02:59 +0000.