Dopo decenni dalle prime conoscenze legate all’editing genomico, siamo giunti alla scoperta del sistema CRISPR-Cas9; una tecnica che consente di modificare in modo rapido ed economico una precisa regione del DNA. Il sistema è stato premiato con il Nobel per la Chimica 2020.
La scoperta
Nel 1987 vennero scoperte le sequenze CRISPR, espressione traducibile con brevi ripetizioni palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari, la cui pronuncia corretta è crisper. Questo è il nome attribuito a una famiglia di segmenti di DNA, contenenti brevi sequenze ripetute. Sequenze presenti in circa la metà dei batteri e nel 90% degli archea, due dei tre rami evolutivi da cui discendono tutti gli esseri viventi.
La funzione delle sequenze CRIPSR è stata completamente compresa solo trent’anni dopo: insieme alla famiglia di enzimi Cas (CRISPR-associated) , formano il CRISPR associated system. Questo sistema funge da sistema immunitario per i batteri. Tra una sequenza ripetuta e l’altra ci sono frammenti di RNA che “archiviano” tratti di DNA dei virus che hanno attaccato i batteri. Queste fungono da guida per le proteine Cas che attaccano così i virus che contengono tali segmenti, tagliando il DNA intruso e impedendone la replicazione: come un paio di forbici.
Nel tempo sono state sperimentate parecchie tecniche in grado di modificare il DNA di vari organismi. La maggior parte di esse, però, era piuttosto grossolana e le modifiche ottenute non erano sempre quelle cercate o desiderate. Per rimediare alla presenza di un gene difettoso, un tempo si cercava semplicemente di aggiungerne uno “corretto” (DNA ricombinante).
CRISPR/Cas è un metodo preciso (ma non infallibile) per raggiungere un particolare gene, eliminarlo, oppure sostituirlo con un gene “giusto”. È un’operazione di precisione, che consente di intervenire in modo mirato persino sulle singole lettere del DNA. La presenza nei batteri di diverse proteine del sistema Cas fa pensare che la tecnica possa essere perfezionata e si possano aggiungere altre funzioni. Cambiando la proteina taglia-DNA e aggiustando la ricetta di base si possono ottenere risultati sempre migliori in termini di versatilità e precisione.
Gli utilizzi del sistema CRIPSR
Dal 2012, quando il sistema è stato reso personalizzabile, i biotecnologi stanno provando a sfruttare questo sistema di difesa naturale per introdurre modifiche specifiche nel genoma di organismi molto più complessi dei batteri, come animali e piante. Per fare questo, si utilizza il sistema CRISPR sfruttando i sistemi di riparazione del DNA presenti nella cellula. Questi, dopo il taglio da parte di Cas, operano una ricucitura secondo diversi meccanismi. Alcuni di questi sono per natura imprecisi e introducono “errori” nella sequenza, a volte rendendo il gene modificato non più funzionale. Un altro meccanismo di riparazione è la “ricombinazione omologa”. È un metodo preciso che permette di riparare il taglio inserendo sequenze di DNA desiderate, utilizzate come stampo per modificare il DNA al loro interno. Grazie a queste strategie, è possibile non solo studiare l’effetto dell’introduzione di determinate mutazioni ma anche, ad esempio, correggere le mutazioni che causano malattie genetiche.
Dal 2012 ad oggi gli studiosi hanno già utilizzato con successo il sistema CRISPR/Cas per risolvere controversie scientifiche di lunga data e comprendere il ruolo di molti geni a funzione sconosciuta.
Negli ultimi anni le ricerche hanno messo a punto nuove tecniche, dette di “genome editing”. Queste tecniche permettono di apportare modifiche precise ai geni che si vogliono studiare, velocizzando enormemente i progressi nella ricerca biologica. In futuro, queste tecniche potrebbero anche essere impiegate per “correggere” alterazioni responsabili di malattie geniche o modificare alcuni caratteri vegetali.
In ambito vegetale
Il sistema CRISPR/Cas mostra sorprendenti potenzialità, permettendo ad esempio di generare piante con migliori caratteristiche nutrizionali o resistenti a patogeni, in pochi mesi anziché anni con tecniche tradizionali. Inoltre, rispetto ad altre tecniche di biologia molecolare utilizzate finora, non necessita dell’introduzione ad esempio di geni per resistenze ad antibiotici o erbicidi. La stessa proteina Cas viene introdotta solo per il tempo necessario a correggere il genoma della pianta,e successivamente eliminata senza lasciare traccia, grazie a degli incroci mirati con la pianta selvatica.
In ambito agronomico, il metodo CRISPR/Cas complica l’aspro dibattito sugli OGM. Le mutazioni introdotte da questa tecnica possono infatti essere così piccole e localizzate da diventare indistinguibili da quelle “naturali”, dovute cioè a fattori di stress come un eccessivo irraggiamento solare.
In ambito medico
Il sistema CRISPR/Cas sta lentamente soppiantando metodi più obsoleti per studiare le cause genetiche e il decorso di malattie genetiche: vari tipi di tumore (su modelli cellulari e animali), malattie neurologiche come l’Alzheimer e il Parkinson, nonché l’efficacia di farmaci. Le maggiori probabilità di successo sono attese per la cura di malattie del sistema immunitario. Le cellule immunitarie, infatti, si possono isolare, modificare in vitro e reintrodurre nel paziente una volta “corrette”. Questa strategia ha già permesso di generare in vitro linfociti T resistenti all’HIV.
Nell’aprile del 2015 apparve sulla rivista Protein&Cell uno studio molto controverso. I ricercatori di un team cinese hanno provato a utilizzare la tecnica per correggere la mutazione genica della beta talassemia (nota anche come anemia mediterranea) in embrioni umani non vitali, ovvero destinati alla ricerca e non in grado di svilupparsi. Nonostante la bassa efficacia della tecnica (pochissimi embrioni “guariti”) e all’alto rischio di errore con possibili mutazioni indesiderate potenzialmente pericolose. I numeri dello studio non hanno scoraggiano gli esperti.
Nel novembre 2018, un team di scienziati della Southern University of Science and Technology di Shenzen, annunciò di aver modificato il genoma di embrioni umani tramite CRISPR per renderli meno suscettibili all’infezione da HIV e in seguito di averli impiantati, suscitando clamore internazionale.
Secondo l’agenzia di stampa Xinhua, gli embrioni umani modificati sono stati impiantati in due donne, da cui sarebbero nati due gemelle e un terzo bambino non meglio specificato. La modifica del genoma selezionato potrebbe creare più danni che benefici per la salute, in quanto aiuterebbe a prevenire un’eventuale infezione da HIV ma potrebbe potenzialmente rendere più debole il corpo ad altri tipi di infezioni.
Nonostante le evidenti controversie da un punto di vista etico e soprattutto medico, lo studio rimane un indubitabile evidenza dei progressi della genetica e della sua manipolazione.
Gli sviluppi del sistema CRIPSR
La tecnica CRISPR/Cas, definito anche bisturi molecolare o forbice molecolare, non è ancora perfetta, in quanto esistono possibilità che ad essere tagliata sia una parte di DNA non coinvolta nel difetto genetico.
Il promettente sistema noto come CRISPR/Cas9, ha migliorato enormente la tecnica. Gli scienziati hanno ottenuto una molecola sperimentale, chiamata evoCas9, davvero precisa nel cambiare il DNA. Si tratta sicuramente di un risultato molto promettente. Il sistema è un potentissimo e precisissimo strumento di modificazione genetica che risulta di impiego molto più facile, e al contempo più economico, rispetto alle tecnologie preesistenti. Grazie al sistema CRISPR/Cas9 è stato possibile modificare permanentemente i geni di molteplici organismi. Anche se siamo ai primi passi del percorso di applicazione della tecnica che, la tecnologia si può definire più che promettente.
Gli scienziati che l’hanno sviluppato, stanno attualmente utilizzando questo sistema per le mutazioni che alterano il meccanismo di eliminazione delle parti non codificanti del gene. L’eliminazione dell’introne, la parte non codificata, è infatti sufficiente per ottenere la riparazione del gene e la corretta sequenza definitiva.
L’utilizzo più controverso di CRISPR/Cas è però quello in cui il sistema è autoreplicante. In questo caso, una copia del complesso Cas e della sua sequenza guida si inseriscono all’interno del genoma della cellula bersaglio. Ad ogni generazione successiva, il meccanismo può quindi riattivarsi e riprodurre la mutazione nel 100% della progenie. I vantaggi sarebbero enormi, non solo nella biotecnologia vegetale ma anche, e forse soprattutto, per il controllo degli insetti.
Ciò consentirebbe, ad esempio, di mutare le zanzare in modo da renderle immuni al plasmodio portatore della malaria (come gli scienziati hanno già sperimentato con successo in laboratorio), e debellare così la malattia; oppure rendere completamente innocui insetti pericolosi per le coltivazioni.
La scarsa prevedibilità delle conseguenze ecologiche suggerisce però di procedere in questo settore con molta cautela.
Conclusioni
CRISPR/Cas sta rivoluzionando l’ingegneria genetica e nel prossimo futuro promette di essere la base per importanti innovazioni in ambito terapeutico, alimentare ed ecologico. Al contempo, sta anche smantellando le frontiere tra terapie ed eugenetica e quelle tra OGM e alimenti tradizionali, aprendo così nuovi interrogativi, anche di tipo ecologico. I ricercatori sono coscienti delle difficoltà. Gli sviluppi di questa nuova tecnologia non dipenderanno soltanto dai risultati sperimentali ma anche dall’esito di un dialogo tra scienza e società, a cui siamo tutti invitati.
L’editing genetico apre più di uno spiraglio ad un avvenire futuristico: controllo di esseri viventi, immunità umana a virus e malattie, piante resistenti a climi impraticabili. Forse è fantascienza ma certamente il divario di quest’ultima con la scienza è sempre più sottile.
Cyranoski D. (2018). Baby gene edits could affect a range of traits. Nature
