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martedì, 20 Ottobre, 2020

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Nobel per la Chimica 2020, il CRISPR-CAS9: editing per riscrivere il DNA

L'Accademia svedese delle scienze ha assegnato il premio Nobel per la Chimica a Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna, per lo sviluppo del metodo di editing genomico CRISPR-CAS9.

La tecnologia CRISPR-CAS9 è utilizzata nei laboratori di tutto il mondo dal 2012, per scopi bio-ingegneristici. Siamo nel campo dell’ingegneria genetica, una scienza a lungo criticata e discussa, che permette la modifica del patrimonio genetico tramite particolari metodi. CRISPR-CAS9 rientra nei metodi volgarmente detti “taglia e cuci”. Vediamo chi sono le due scienziate e come funziona la loro scoperta scientifica, meritevole del Nobel per Chimica 2020.

Chi sono le due scienziate vincitrici del Nobel per la Chimica 2020

Emmanuelle Charpentier, classe 1968, è nata in un piccolo comune dell’Île-de-France, nelle vicinanze di Parigi. Biologa, microbiologa, biochimica e genetista, si laurea alla UPCM, Università Pierre e Marie Curie di Parigi. Continua la sua carriera dedicandosi alla ricerca negli Stati Uniti, presso la Rockefeller University, università privata dedita alla ricerca medica e scientifica in generale. Dopo vari riconoscimenti e docenze, entra a far parte del gruppo di ricerca dell’università svedese Umeå Universitet, uno dei migliori istituti statali al mondo. Da anni collabora inoltre con Jennifer A. Doudna, con cui ora condivide il Nobel 2020 per la Chimica per la tecnologia CRISPR-CAS9.

Nobel chimica 2020 CRISPR-CAS9
Credits: Nobel Prize

La dottoressa Jennifer A. Doudna, classe 1964, è una chimica, biochimica e accademica statunitense. Nasce a Washington DC, vive la giovinezza alle Hawaii. Si laurea in Chimica, e conclude il dottorato ad Harvard, tesi biochimica, ribozimi. Prosegue gli studi presso l’Università del Colorado. Attualmente è professoressa alla UC Berkeley, Università della California. Doudna è anche membro della Royal Society, Istituzione massima del sapere umano della storia inglese, ancora oggi accademia delle scienze del Regno Unito e del Commonwealth.

L’ingegneria genetica, scienza discussa e Nobel per la Chimica 2020

La tecnologia CRISPR-CAS9 che è valsa il Nobel per la Chimica 2020 a Doudna e Charpentier, si colloca in una particolare scienza. Stiamo parlando dell’ingegneria genetica, una branca dell’ingegneria che si occupa di modificare le strutture del patrimonio genetico degli organismi. Chiaramente, questo implica che sia un campo di ricerca relativamente giovane. Nasce nel 1969, quando per la prima volta, si cominciò a manipolare il patrimonio genetico dei batteri.

CRISPR-CAS9, Nobel per la Chimica 2020 credits: polis genetica
Credits: Polis Genetica

Tutt’oggi, si lavora emulando il comportamento difensivo dei batteri, nel campo della ricerca medica. Si può così studiare la correzione di difetti genetici, il trattamento e la prevenzione della diffusione di malattie e il miglioramento delle colture. CRISPR-CAS9 è uno degli ultimi sviluppi dell’ingegneria genetica, e consente con estrema facilità e bassi costi, di manipolare attivamente il DNA batterico ed eucariota, inducendo mutazioni utili. Attenzione, per utili non si intende necessariamente etiche. La discussione in merito all’etica dell’ingegneria genetica e della tecnologia CRISPR-CAS9 è un questione delicatissima, e conduce alle principali critiche e impedimenti legislativi vigenti.

Batteri e virus, guerra senza esclusione di colpi

Batteriofagi (rossi) all'attacco di un batterio (blu).  Credits: Focus
Batteriofagi (rossi) all’attacco di un batterio (blu).
Credits: ShutterStock

I batteri sono organismi viventi, mentre i virus, che non lo sono, si classificano come parassiti obbligati. Esistono virus, detti batteriofagi, che attaccano esclusivamente i batteri. Ovviamente, questi ultimi hanno sviluppato metodi di difesa ad hoc. In sintesi, i virus tentano di introdursi, tramite perforazione della membrana esterna, nei batteri per inocularvi il proprio patrimonio genetico, che sarà poi in grado di replicarsi. Per difendersi, i batteri hanno sviluppato il meccanismo CRISPR, clusters of regularly interspaced short palindromic repeats.

CRISPR, ecco come i batteri si difendono dai virus

Batteriofago che attacca un batterio, inoculando il suo genoma. Credits: ShutterStock
Batteriofago che attacca un batterio, inoculando il suo genoma.
Credits: ShutterStock

CRISPR è presente in circa la metà delle specie batteriche conosciute, e fa parte di un meccanismo fondamentale per la fagi-resistenza. Nella pratica, si tratta di regioni di genoma batterico caratterizzate da nucleotidi intervallati da blocchi di DNA spaziatori. Il meccanismo ha inizio da un primo attacco virulento. In questa occasione, la cellula batterica provvederà a prelevare frammenti di genoma del virus, e inserirli nella sua struttura, in forma di DNA spaziatore. Queste porzioni fungono da banca dati per il batterio, che in futuro, sarà in grado di riconoscere il batteriofago. Si noti la rassomiglianza con la pratica della vaccinazione.

CAS-9, le forbici molecolari selettive

Dopo aver archiviato le informazioni necessarie in forma di CRISPR, il batterio è pronto a reagire attivamente agli attacchi futuri. Quando altri virus, della stessa tipologia dei primi, attaccheranno il batterio, esso utilizzerà la proteina CAS-9. Questo enzima, agirà come un paio di forbici molecolari, andando a recidere i filamenti del DNA del fago, distruggendoli. Il batterio avrà così eliminato il virus che ha cercato di attaccarlo.

Credits: ADC Education e Practice edition CRISPR-CAS9, Tecnologia Nobel per la Chimica 2020
Credits: ADC Education e Practice edition

Le proteine CAS sono molteplici, ma le scienziate del Nobel per la Chimica 2020 hanno individuato la -9, che in collaborazione con CRISPR a formare CRISPR-CAS9, costituisce uno strumento molto preciso e poco costoso per la manipolazione del genoma con funzione genica. La tecnologia CRISPR-CAS9 è estremamente adattabile, dunque attualmente è utilizzatissima, anche su cellule umane, dal 2013. Riveste inoltre, una particolare importanza nella lotta all’antibiotico-resistenza e nella ricerca di nuovi antibiotici.

Brevetti e proprietà CRISPR-CAS9

L’estrema versatilità, la facilità di utilizzo e il basso costo di produzione, hanno reso CRISPR-CAS9 estremamente appetibile dal punto di vista della proprietà intellettuale. Le vincitrici del Nobel per la Chimica 2020, hanno dunque dovuto “combattere” con altri scienziati, per l’innovazione di CRISPR-CAS9. Ad esempio, nel 2014, Feng Zhang, del Massachusetts Institute of Technology, uno dei pionieri dell’utilizzo della tecnica per la modifica del genoma nelle cellule dei mammiferi, ha registrato il brevetto statunitense per la stessa tecnologia. Come già detto però, Doudna e Charpentier, già nel 2012 avevano diffuso la loro scoperta. Lo United States Patent and Trademark Office ha poi risolto la faccenda, attribuendo la scoperta di CRISPR-CAS9 alle legittime proprietarie. A parte questi screzi fra ideatori, la tecnologia è già stata finanziata per diversi milioni di dollari, da multinazionali operanti in più settori. Tra i nomi dei principali investitori spiccano Bill & Melinda Gates Foundation, Google Ventures e DuPont.

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Naomi Guadagninihttps://sciencecue.it
Nata e cresciuta a Bologna, studentessa di Ingegneria Chimica e Biochimica. Appassionata di chimica, medicina applicata, biomeccanica, e ingegneria dei materiali. I miei studi si concentrano sull'applicazione e la fusione di queste materie, per lo sviluppo di nuove tecnologie in diversi settori, principalmente nell'automotive.