Come si dice, la realtà a volte supera la fantasia. È questo il caso dell’incredibile traguardo scientifico raggiunto da due ricercatrici che, in occasione del congresso a San Juan di Puerto Rico del 2011, hanno saputo unire le forze dopo una conversazione sulle proprie ricerche avvenuta davanti a una tazzina di caffè.
Stiamo parlando di Jennifer A. Doudna e di Emmanuelle Charpentier, le recenti vincitrici del premio Nobel per la Chimica.
La prima, Doudna, è una chimica statunitense con un dottorato di ricerca in biochimica presso l’Harvard Medical School di Boston, attualmente insegnante di Chimica Molecolare presso l’Università di Berkeley in California.
La seconda, Charpentier, è una biochimica, genetista e microbiologa francese con un post dottorato presso l’Istituto Pasteur di Parigi, oggi direttrice dell’unità Max Planck per la scienza dei patogeni di Berlino.
Il loro incontro potrebbe essere benissimo l’incipit di un romanzo. Ognuna con il proprio personale percorso di ricerca alle spalle, le due scienziate, complice un momento di pausa e ristoro davanti a una calda e confortevole tazza di caffè, hanno modo di parlarsi più liberamente e di scambiarsi le prime informazioni sulle loro ricerche.
Tra una battuta e l’altra capiscono subito che, pur avendo interessi diversi alle spalle, le loro ricerche si sarebbero potute unire, dando avvio a quella che poi sarebbe diventata la loro importante scoperta scientifica.
Il percorso di studi delle due scienziate
Procediamo per gradi. Durante quella conversazione le due apprendono di avere dei punti in comune.
Charpentier è affascinata dal mondo dei batteri patogeni e desidera capire da che cosa dipenda l’aggressività che dimostrano. In particolare, si concentra su Streptococcus pyogenes di cui analizza il genoma e i meccanismi di controllo.
Ha isolato in Streptococcus pyogenes una proteina Cas di classe 2 sufficiente a rompere il DNA virale: Cas9. Ha individuato inoltre una piccola molecola di RNA che definisce trans-attivante crispr, tracrRNA, la forma attiva del sistema CRISPR-RNA.
Doudna, invece, è interessata alle molecole non codificanti dell’RNA coinvolte nell’espressione dei geni: studia il fenomeno dell’interferenza dell’RNA, sequenze molto corte capaci di rendere silenti i geni e per questo identificate come siRNA. Sono complementari a molecole di mRNA e ne impediscono la traduzione; e il riscontro in molti organismi viene interpretato come il risultato evolutivo di una forma di difesa contro i virus.
Inoltre, Doudna è sensibile alle scoperte della microbiologia che evidenziano nei batteri e negli archei sequenze ripetitive del DNA, definite CRISPR, Cluster Regulary Interspaced Short Palindromic Repeats (corte ripetizioni palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari).
Alcune sequenze, hanno attirato in modo particolare l’attenzione di Doudna, perché corrispondono a quelle appartenenti ad alcuni virus e rappresentano una sorta di memoria immunitaria di un’infezione subita in precedenza dal batterio.
Si tratta dei geni associati ai CRISPR definiti Cas, CRISPR associated, codificanti per proteine capaci di tagliare determinate sequenze del DNA, per cui si parla di sistema CRISPR/cas.
Doudna ha individuato due tipi di proteine Cas: quelle di classe 1 più numerose e coinvolte nell’attacco di una medesima sequenza virale, quelle di tipo 2 che richiedono meno proteine per silenziare un gene.
Il meccanismo di funzionamento del sistema CRISPR
Torniamo però ora a quel famoso caffè di Puerto Rico, cui fa seguito una visita a piedi nei quartieri vecchi della capitale. Come già accennato, l’occasione di parlare è fondamentale per le due scienziate per conoscersi, descrivere i propri interessi e porre le basi per una solida collaborazione, che forse già Charpentier si auspicava dopo le prime battute.
Avendo così tanti punti in comune nella loro ricerca, perché non concentrare insieme le forze sulla funzione del Cas9 di S. pyogenes?
E così fanno. La ricerca prende quindi avvio e procede in modo incalzante. Le due scienziate riescono così presto a comprendere il meccanismo del funzionamento del sistema CRISPR, che attraverso Cas9, una endonucleasi, permette di tagliare la catena di DNA, così da difendere gli streptococchi dagli attacchi dei virus. L’immagine che segue mostra questo meccanismo.
Come si può vedere, all’altezza del punto 1, il batterio inserisce una parte del DNA di un virus infettante nella sezione CRISPR del suo genoma. La sequenza è ripetuta tra diversi tratti del DNA virale.
Nel punto 2, il DNA CRISPR viene duplicato per costruire una lunga molecola di RNA, definita CRISPR RNA.
Segue il punto 3, dove TracrRNA si adatta alla sezione ripetuta di CRISPR RNA in modo complementare. Quando il tracrRNA si attacca a CRISPR RNA, la proteina delle forbici Cas9 si unisce a formare un complesso. Un enzima, RNase III, scinde la molecola in porzioni più piccole: le forbici genetiche.
Infine al punto 4 sono mostrate le forbici genetiche che contengono la sequenza di un singolo DNA virale. Se il batterio è reinfettato dallo stesso virus, le forbici riconosceranno il DNA del virus tagliandolo immediatamente.
La ricerca prosegue fino al Nobel
Nel corso degli anni la ricerca di Emmanuelle Charpentier e di Jennifer Doudna prosegue. I loro studi si ampliano in modo eccezionale: scoprono che ricavando artificialmente una molecola di RNA guida (crRNA), ottenuta dall’unione di tracrRNA e CRISPR-RNA, si può decidere esattamente in quale punto tagliare una molecola di DNA, in modo da poter eliminare qualsiasi gene difettoso e provvedere eventualmente a una sua sostituzione.
Il riconoscimento esatto del punto di taglio è offerto dalla sequenza PAM (Protospacer adjacent motif), 2/6paia di basi subito dopo la sequenza identificata dall’RNA guida (Science, 2012).
Confrontiamo ora per esempio la tecnologia del DNA ricombinante con quella di CRISPR/Cas9. L’endonucleasi Cas9 potrà intervenire, per esempio, sotto la guida di un opportuno RNA, togliendo “freni” ai linfociti umani per aumentare la loro aggressività verso cellule tumorali. Oppure servirà a inattivare i virus o geni che possono interferire riguardo alla resistenza verso altri agenti patogeni, come nel caso del virus HIV.
La portata di questa scoperta equivale dunque a quella della tecnica di PCR. Non mancano i risvolti bioetici che renderanno necessaria una regolamentazione internazionale, ma i campi di applicazione sono straordinariamente ampi, dal settore della medicina a quello dell’agricoltura.
Non a caso questa scoperta, il cui seme è stato piantato da una casuale chiacchierata davanti a un caffè, ha consacrato gli sforzi delle due ricercatrici. Il momento del loro trionfo ufficiale è arrivato l’8 ottobre 2020 con l’assegnazione del premio Nobel per la Chimica 2020 che l’Accademia svedese solitamente destina anche alle più significative scoperte biotecnologiche. Premio che, è bene sottolinearlo, per la prima volta questo importante riconoscimento viene condiviso da due donne.
Per saperne di più, rinvio ad alcuni link utili per approfondire l’argomento e introdurlo alla classe:
https://www.osservatorioterapieavanzate.it/crispr
https://eu.usatoday.com/story/news/health/2020/10/24/nobel-prize-crispr-gene-editing-technology-used-covid-tests/3650308001/
http://www.anisn.it/nuovosito/crispr-cas9-cura-tumore-polmonare/
http://www.anisn.it/nuovosito/dice-batteri-fanno-male-crispr-ed-potenziale-genetico/
http://www.anisn.it/nuovosito/correzione-difetti-ereditari-embrioni-umani-grazie-crispr-cas9/
http://www.anisn.it/nuovosito/sistema-crispr-cas9/