• culturainatto

CHE IMPATTO HA NELLA NOSTRA VITA IL PREMIO NOBEL PER LA CHIMICA 2020

Aggiornato il: gen 17

di Aurora Licaj


ITA/ENG

Translation: Angela Favero



Anche quest’anno l’assegnazione dei premi Nobel nel campo scientifico ha messo in luce una serie di importanti e laboriose ricerche, che hanno spesso anni alle spalle prima di essere riconosciute come tali.

Da sinistra, Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna

È il caso del premio per la chimica, assegnato a due ricercatrici rispettivamente statunitense e francese, Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna, le quali, partendo da studi internazionali risalenti al 2007 (anche se il tutto è partito addirittura nel 1987 con la scoperta delle sequenze CRISPR), sono riuscite nel 2013 a mettere a punto una tecnica a dir poco rivoluzionaria: la ormai famosa CRISPR-Cas9. Perché dico ormai famosa? Perché negli ambienti scientifici se ne parla con trepidazione da tempo, perché sta già prendendo piede come principale tecnica nella manipolazione genica.


Certo, il nome non ispira particolare fiducia o non porta intuitivamente a comprenderne la funzione, proprio perché spesso gli scienziati fanno uso di sigle e abbreviazioni per rendersi la vita più semplice. Infatti, se prendiamo per esteso il significato di CRISPR, avremo Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, che in italiano si può tradurre con brevi ripetizioni palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari: robe da far accapponare la pelle! Cas9 invece sta per CRISPR associated protein 9 (proteina associata al CRISPR 9)[1], già più digeribile…Quest’ultima è un enzima della famiglia delle nucleasi, cioè una proteina che opera dei tagli all’interno di sequenze di DNA. Le sequenze CRISPR invece sono tipiche del genoma dei procarioti (es. batteri), e consistono in sequenze di DNA ripetute molte volte e separate da dei tratti chiamati spacer, che altro non sono che resti di materiale genetico virale.


Il meccanismo di immunità acquisita procariotica, dalla conversione del materiale genetico virale in Spacer al taglio di Cas

Essi infatti sono il prodotto di un’immunità acquisita procariotica, un naturale meccanismo di difesa che porta l’ospite a copiare parti del genoma dei virus da cui subisce un attacco e inglobarli nel proprio, in modo tale da poterli usare per riconoscere e proteggersi da eventuali nuove invasioni. In particolare, il sito CRISPR, dopo esser stato trascritto in RNA[2] (crRNA), si associa alle Cas prodotte da un sito a monte di CRISPR: il complesso poi individua il materiale genetico dell’intruso e inizia a tagliarlo proprio come delle forbici, riuscendo così a neutralizzarlo. Questo meccanismo è a dir poco sorprendente, e dimostra quanto spesso le soluzioni a grandi problemi siano molto più semplici di quel che sembra.


Il terribile Cas in azione

[1] Esistono vari tipi di queste proteine: Cas9, grazie alla sua semplicità strutturale, è il più adatto per il gene editing. [2] Trascrizione: processo che porta a trascrivere le informazioni contenute nel DNA su un filamento di RNA complementare, che poi servirà per trasportarle verso un complesso dove avviene la traduzione, cioè la conversione in aminoacidi, costituenti le proteine.


Tornando alle due vincitrici, il loro merito è stato quello di affinare una tecnica per poter usare al meglio questo meccanismo, in modo tale da condurre tagli ben specifici e programmati, fornendo alle Cas9 una serie di RNA guida (gRNA) costruiti ad hoc in laboratorio, che portano il complesso in siti di interesse. La differenza con le tecniche precedenti, che utilizzavano nucleasi che tagliavano con poca precisione o in modo casuale, sta proprio nell’alto grado di precisione con cui si può operare. E questo, oltre a velocizzare le manipolazioni e abbatterne i costi, ha aperto molte vie nel campo del gene editing, permettendo la manipolazione anche di cellule più complesse, come quelle degli eucarioti superiori.


CRISPR-Cas9 in azione: da notare l'appaiamento del'RNA guida con la sequenza target di DNA

Iniezione con micropipetta in una cellula embrionale

Oltre che nello studio dei genomi, delle mutazioni, nell’ingegnerizzazione di piante e animali (a scopo di migliorarne o le caratteristiche o eliminare addirittura specie invasive e dannose per la salute dell’uomo), un importante applicazione si ha sicuramente nel campo medico: importanti sono le terapie geniche, in cui malattie molto gravi (come i tumori) si possono curare grazie a CRISPR-Cas9, riuscendo per esempio a rimuovere i geni difettosi, sostituirli con geni sani e così via. In questo momento di grave crisi pandemica, questa tecnica ricopre un ruolo di fondamentale importanza nella lotta contro i virus: infatti, come forse avrete già capito, si può utilizzare per tagliare siti specifici nel genoma virale, che possono renderlo innocuo o distruggerlo[3]. Si può inoltre applicare alla manipolazione degli embrioni umani, sperma o ovuli, modificando ad hoc il genoma anche di generazioni future, al fine di prevenire, per esempio, malattie genetiche prenatali.

[3] Un esempio si ha nella ricerca attiva contro il virus dell’HIV, per cui si sta studiando un modo per utilizzare CRISPR-Cas9 al fine di disattivare il meccanismo con cui il virus infetta le cellule umane. Inoltre si sta cercando di utilizzarlo anche contro il nostro caro SARS-CoV-2.


Chiaramente si tratta di un’arma molto potente, che, proprio a causa del largo numero di organismi in cui è possibile applicarla, uomo compreso, arriva non senza implicazioni etiche.

Cover of The Economist, August 22 - 28, 2015

Infatti, nonostante la sua utilità, è una tecnica ancora non molto matura, che ha bisogno di tempo e ricerca per poter essere veramente utilizzata allo scopo di ottenere benefici a lungo termine e senza conseguenze dannose. Si mira quindi alla sensibilizzazione degli ambienti scientifici e al dialogo tra i vari specialisti, al fine di utilizzarla e poter continuare gli studi nel modo più responsabile e cosciente possibile, tutelando anche la vita in sé, quella delle persone ed altri esseri viventi[4]. Il tutto per poter trarre il massimo giovamento da CRISPR-Cas9, una delle tecniche più rivoluzionarie mai create finora nel campo della manipolazione genica, che sicuramente avrà grandi ripercussioni sul nostro futuro.


[4] Interessante il caso nel 2019 del ricercatore cinese, He Jiankui, il quale ha utilizzato CRISPR-Cas9 su embrioni umani per renderli meno sensibili all'infezione da l'HIV (da cui sono nati poi tre bambini), senza però tener conto delle implicazioni etiche e delle possibili conseguenze di un mancato successo della manipolazione.

Alcuni articoli che ne parlano:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00001-y https://ilbolive.unipd.it/it/news/appello-lintegrita-ricerca-scientifica-cina https://www.lescienze.it/news/2020/01/07/news/condanna_ricercatore_cinese_editing_genetico_crispr-4654207/ Un buon riassunto anche da Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/He_Jiankui_affair

Video YouTube sull’argomento CRISPR-Cas9 per una migliore comprensione: https://www.youtube.com/watch?v=Be34dclOK38&ab_channel=Osmosis

https://www.youtube.com/watch?v=TdBAHexVYzc&ab_channel=TED

https://www.youtube.com/watch?v=MnYppmstxIs&ab_channel=BozemanScience




WHAT IMPACT HAS THE NOBEL PRIZE FOR CHEMISTRY 2020 IN OUR LIVES


This year, the awarding of Nobel Prizes in scientific fields brought to light a series of important and labour-intensive research, often dating back years before being recognized as such.

From left, Emmanuelle Charpentier and Jennifer A.Doudna

This is the case of this year’s Nobel Prize in Chemistry, which has been awarded to French and American researchers Emmanuelle Charpentier and Jennifer A.Doudna, who, starting from international studies dating 2007 (although it all began back in 1987, when the CRISPR sequences were discovered), were able to develop, in 2013, a technique that is nothing short of revolutionary: the now famous CRISPR-Cas9. Why now famous? Because it has been talked about with trepidation for a while in the scientific world, because it is already gaining ground as the main technique in genetic manipulation.


Obviously, the name does not inspire trust, nor does it make its function intuitively clear, because scientists often use acronyms and abbreviations to make their life easier. In our case, CRISPR stands for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats: that sounds quite chilling! Cas9, on the other hand, stands for CRISPR associated protein 9[1], which sounds more understandable… It is an enzyme of the nuclease group, that is, a protein operating cuts to DNA sequences. CRISPR sequences, conversely, are typical of the prokaryotic genome (like bacteria) and they consist of DNA sequences repeated many times and separated by traits called spacer, that are nothing more than remains of viral genetic material.


The mechanism of prokaryotic acquired immunity, from the conversion of the viral genetic material in Spacer to the Cas cleavage

They are in fact the product of an acquired prokaryotic immunity, a natural defence mechanism bringing the host to the point where it copies parts of the attacking virus’ genome and englobes them in its own, in order to use them to recognise and protect itself from further invasions. In particular, the CRISPR site, after having been transcribed into RNA[2] (crRNA), associates with Cas produced by an upstream CRISPR site: the complex then locates the intruder’s genetic material and starts cutting it in a scissors-like manner, thus neutralizing it successfully. This mechanism is surprising to say the least, and it proves how often solutions to big problems are much easier than it seems.


The terrible Cas in action

[1] There are many types of this protein: Cas9, thanks to its structural simplicity, is the most suitable for gene editing. [2] Transcription: the process leading to the transcription of information contained in the DNA on a complementary RNA strand, which will then be used to carry said information to a complex where translation happens, that is, the conversion in amino-acids, forming proteins.


Now about the two winners: their merit lays in the fact that they refined a technique which allows a better use of this mechanism, in order to make specific and planned cuts by giving the Cas9 a series of RNA guides (gRNA) that are built ad hoc in the laboratory and bring the complex to sites of interest. The difference with the previous techniques, which used nucleases operating unprecise or random cuts, lies exactly in the high level of precision with which it allows to operate. This not only sped up manipulations and reduced their costs, but it also opened many ways in the gene editing field, allowing the manipulation of more complex cells, like higher eukaryotes.

CRISPR-Cas9 in action: note the pairing of the guide RNA with the target DNA sequence

An injection with micropipette in an embrio cell

One important application, other than in the study of genome, of mutations, of the engineering of plants and animals (with the goal of improving their characteristics or even eliminating invasive species, dangerous for humans’ health), is in the medical field: an important use is in gene therapies, in which very serious illnesses (like tumours) can be cured thanks to CRISPR-Cas9, for example through the removal of defective genes and their substitution with healthy ones, and so on. In this time of severe pandemic crisis, this technique plays an extremely important role in the fight against viruses: as you may have understood, it can indeed be used to cut specific sites in the viral genome, that can make it harmless, or destroy it[3]. Furthermore, it can be applied in the manipulation of human embryos, sperm or eggs, to modify ad hoc future generations’ genome and prevent, for example, prenatal genetic diseases.

[3] An example is the active research on the HIV virus, in which it is under study a way to use CRISPR-Cas9 to deactivate the mechanism though which the virus contaminates human cells. They are also trying to use it against our beloved SARS-CoV-2.

It is clearly a very powerful weapon, and because of the large number of organisms to whom it can be applied, including humans, it comes with ethical implications.

Cover of The Economist, August 22 - 28, 2015

In fact, although it is useful, it is still not a very mature technique: it needs time and research to be fully employed in order to gain long term benefits without dangerous consequences. Therefore, the aim is to raise awareness in the scientific world and to encourage the dialogue between specialists, so that we can use this technique and keep studying it as consciously and responsibly as possible, protecting life itself, the life of humans and that of the other living things[4]. All of this to be able to take the most advantage from CRISPR-Cas9, one of the most revolutionary techniques ever created in the genetic manipulation field, which will undoubtedly have great repercussions on our future.


[4] Interesting is the 2019 case of a Chinese researcher, He Jiankui, who used CRISPR-Cas9 on human embryos to make them less sensitive to the HIV infection (three babies were born from them), without taking into consideration the ethical implications and possible consequences of a failed manipulation.

Here are some articles on the topic:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00001-y https://ilbolive.unipd.it/it/news/appello-lintegrita-ricerca-scientifica-cina (in Italian) https://www.lescienze.it/news/2020/01/07/news/condanna_ricercatore_cinese_editing_genetico_crispr-4654207/ (in Italian) A good Wikipedia summary: https://en.wikipedia.org/wiki/He_Jiankui_affair

YouTube videos on the CRISPR-Cas9 topic for a better comprehension:

https://www.youtube.com/watch?v=Be34dclOK38&ab_channel=Osmosis

https://www.youtube.com/watch?v=TdBAHexVYzc&ab_channel=TED

https://www.youtube.com/watch?v=MnYppmstxIs&ab_channel=BozemanScience