Il Nobel per la chimica quest’anno è stato assegnato a due ricercatrici per i loro studi sul sistema Crispr/Cas9 che hanno permesso di sviluppare tecniche estremamente efficaci di editing genetico.
Il premio Nobel per la chimica 2020 è stato assegnato a Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna per i loro studi sul sistema di editing genetico Crispr/Cas9.
Il genome editing è l’insieme di metodi che permettono la modifica e la riscrittura del genoma di un organismo.
Le prime tecniche di genome editing risalgono agli anni ‘90, ma erano costose, complesse e con efficienza relativamente bassa.
I primi veri passi avanti si sono fatti con lo sviluppo prima delle zinc finger nucleases, cosa che valse il premio Nobel per la medicina tra gli altri a Mario Capecchi nel 2007, e poi del sistema TALEN. Entrambe le tecniche sono state poi surclassate da una metodica estremamente efficiente, precisa ed economica: il sistema Crispr/Cas9.
Questo sistema è stato adattato partendo da un sistema presente in batteri e archea evolutosi per la difesa da attacchi virali.Al momento dell’infezione, infatti, i virus iniettano in loro DNA all’interno della cellula batterica. Normalmente questo evento può provocare la morte del batterio ma alcun batteri hanno evoluto un sistema per ricordare le infezioni passate, conservando
un frammento del DNA virale all’interno di una porzione ben precisa del suo genoma denominata CRISPR, all’interno della quale sono conservate tracce dei diversi genomi virali di infezioni passate.
Il lavoro di Emmanuelle Charpentier, biochimica e microbiologa francese, è stato quello di caratterizzare le prime fasi.
I suoi studi hanno determinato come la porzione di DNA è trascritta in una lunga molecola di RNA chiamata pre–CRISPR (pre-crRNA) contenente tutte le sequenze virali integrate intervallate da regioni ripetute.
Queste sequenze ripetute vengono riconosciute da un’altra molecola di RNA chiamata trans-activating crispr RNA (tracrRNA) e con l’intervento di una serie di enzimi vengono tagliate in piccoli frammenti chiamati CRISPR RNA (crRNA), formati dall’unione del tracrRNA con una piccola sequenza di RNA ripetuto cui segue la singola porzione di RNA virale.
Jennifer Doudna, biochimica statunitense, ha descritto insieme a Charpentier il meccanismo con cui i crRNA forniscono resistenza a futuri attacchi virali.
I loro studi hanno evidenziato come il crRNA riconosce e si lega con estrema precisione ed efficienza alla corrispondente sequenza di genoma virale al momento dell’infezione.
Tale riconoscimento è essenziale nel determinare un taglio da parte della endonucleasi Cas9, un enzima capace di tagliare, come una forbice, il doppio filamento di DNA.
Tagliando il DNA virale, la cellula batterica è quindi capace di resistere all’infezione, di fatto immunizzandosi.
Successivamente, Charpentier e Doudna hanno lavorato su come poter ingegnerizzare questo sistema batterico e adattarlo al genome editing.
Sostituendo infatti nel crRNA la sequenza corrispondente al genoma virale con un’altra sequenza, presente per esempio nel genoma del batterio, il sistema Crispr/Cas9 va anche in questo caso a guidare il taglio sul DNA.
Questo nuovo RNA, chiamato guideRNA, insieme alla Cas9, può quindi essere utilizzato con successo per effettuare tagli estremamente mirati all’interno del genoma.
Il guideRNA o il crRNA (giallo) guidano la Cas9(verde) sul tratto di DNA specifico su cui eseguire il taglio. (Fonte Wikimedia Commons)
Il loro lavoro postulò le basi per adattare tale tecnica al genome editing:
effettuando un taglio nel doppio filamento di DNA la cellula attuerà una serie di risposte di riparo. Questi meccanismi tuttavia sono suscettibili a errori, ed è possibile sfruttare questa caratteristica per indurre il taglio all’interno di un determinato gene e sperare che, riparando in maniera errata il danno, si generi una mutazione tale da ‘spegnerlo’. Oppure, in seguito al taglio è possibile fornire alla cellula una porzione di DNA che verrà utilizzata per riparare il danno. In questo modo è possibile inserire specifiche modifiche in una determinata regione.
Questo Nobel, assegnato in tempi decisamente brevi, circa 10 anni, ha ricadute talmente vaste da che difficilmente può essere racchiuso nella parola “Chimica”.
Tale tecnica, grazie alla precisione e alla semplicità è già usatissimo in molti laboratori e tantissime sono le applicazioni cui si presta.
Il genome editing tramite Crispr/Cas ha trovato applicazioni dalla ricerca di base alla cura per le malattie genetiche, al miglioramento di specie vegetali e tantissimi altri campi.
Immagine di copertina: crispr stock image from vchal/Shutterstock
Immagine del guideRNA: CRISPRCAS9blue stock from DBCLS/Wikipedia
Fonti e approfondimenti.
The Nobel Prize in Chemistry 2020