Una delle più grandi e importanti storie scientifiche degli ultimi anni sarà probabilmente anche una delle più grandi storie scientifiche dei prossimi anni. Quindi questo è un buon momento come un altro per familiarizzare con la nuova potente tecnologia di editing genico conosciuta come CRISPR.
Se non avete ancora sentito parlare di CRISPR, la breve spiegazione è questa: Negli ultimi nove anni, gli scienziati hanno capito come sfruttare una stranezza del sistema immunitario dei batteri per modificare i geni in altri organismi – piante, topi, anche gli esseri umani. Con CRISPR, ora possono fare queste modifiche rapidamente ed economicamente, in giorni piuttosto che in settimane o mesi. (La tecnologia è spesso conosciuta come CRISPR/Cas9, ma noi ci atterremo a CRISPR, pronunciato “crisper”.)
Stiamo parlando di un nuovo potente strumento per controllare quali geni vengono espressi nelle piante, negli animali e anche negli esseri umani; la capacità di eliminare tratti indesiderati e, potenzialmente, aggiungere tratti desiderabili con più precisione che mai.
Finora gli scienziati lo hanno usato per ridurre la gravità della sordità genetica nei topi, suggerendo che un giorno potrebbe essere usato per trattare lo stesso tipo di perdita dell’udito nelle persone. Hanno creato funghi che non scuriscono facilmente e modificato le cellule del midollo osseo nei topi per trattare l’anemia falciforme. In futuro, CRISPR potrebbe aiutarci a sviluppare colture che tollerano la siccità e creare nuovi potenti antibiotici. CRISPR potrebbe un giorno anche permetterci di eliminare intere popolazioni di zanzare che diffondono la malaria o resuscitare specie un tempo estinte come il piccione viaggiatore.
Una grande preoccupazione è che mentre CRISPR è relativamente semplice e potente, non è perfetto. Gli scienziati hanno recentemente appreso che l’approccio all’editing genico può inavvertitamente cancellare e riorganizzare ampie fasce di DNA in modi che possono mettere in pericolo la salute umana. Questo segue studi recenti che mostrano che le cellule modificate con CRISPR possono inavvertitamente innescare il cancro. Ecco perché molti scienziati sostengono che gli esperimenti sugli esseri umani sono prematuri: I rischi e le incertezze intorno alla modifica CRISPR sono estremamente alti.
Su questo fronte, il 2018 ha portato alcune notizie scioccanti: a novembre, uno scienziato in Cina, He Jiankui, ha riferito di aver creato i primi bambini umani al mondo con geni modificati da CRISPR: una coppia di ragazze gemelle resistenti all’HIV.
L’annuncio ha stupito gli scienziati di tutto il mondo. Il direttore del National Institutes of Health, Francis Collins, ha detto che l’esperimento era “profondamente inquietante e calpesta le norme etiche”
Ha anche creato più domande che risposte: Jiankui ci è riuscito davvero? Merita una lode o una condanna? Dobbiamo frenare la ricerca CRISPR?
Mentre ricercatori indipendenti non hanno ancora confermato che Jiankui ha avuto successo, ci sono altre applicazioni CRISPR che sono vicine alla realizzazione, da nuove terapie per le malattie a nuove tattiche per combattere la malaria. Quindi ecco una guida di base su cosa è CRISPR e cosa può fare.
Che diavolo è CRISPR, comunque?
Se vogliamo capire CRISPR, dovremmo tornare indietro al 1987, quando gli scienziati giapponesi che studiavano il batterio E. coli si sono imbattuti per la prima volta in alcune sequenze ripetute insolite nel DNA dell’organismo. “Il significato biologico di queste sequenze”, hanno scritto, “è sconosciuto”. Col tempo, altri ricercatori trovarono cluster simili nel DNA di altri batteri (e archei). Hanno dato a queste sequenze un nome: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – o CRISPR.
Anche se la funzione di queste sequenze CRISPR era per lo più un mistero fino al 2007, quando gli scienziati alimentari che studiavano il batterio Streptococcus usato per fare lo yogurt hanno dimostrato che questi strani gruppi servivano effettivamente una funzione vitale: Fanno parte del sistema immunitario del batterio.
Vedi, i batteri sono sotto costante attacco da parte dei virus, quindi producono enzimi per combattere le infezioni virali. Ogni volta che gli enzimi di un batterio riescono a uccidere un virus invasore, altri piccoli enzimi arrivano, raccolgono i resti del codice genetico del virus e lo tagliano in piccoli pezzi. Gli enzimi poi immagazzinano quei frammenti negli spazi CRISPR nel genoma del batterio stesso.
Ora arriva la parte intelligente: Gli spazi CRISPR agiscono come una galleria di canaglie per i virus, e i batteri usano le informazioni genetiche memorizzate in questi spazi per respingere gli attacchi futuri. Quando si verifica una nuova infezione virale, i batteri producono speciali enzimi di attacco, noti come Cas9, che portano in giro quei pezzi di codice genetico virale memorizzati come una foto segnaletica. Quando questi enzimi Cas9 si imbattono in un virus, vedono se l’RNA del virus corrisponde a quello che si trova nella foto segnaletica. Se c’è una corrispondenza, l’enzima Cas9 inizia a fare a pezzi il DNA del virus per neutralizzare la minaccia. Sembra un po’ così:
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7725763/crispr_bg.jpg)
Quindi questo è ciò che fa CRISPR/Cas9. Per un po’, queste scoperte non sono state di grande interesse per nessuno, tranne che per i microbiologi, fino a quando non si è verificata una serie di ulteriori scoperte.
Come ha fatto CRISPR a rivoluzionare l’editing genico?
Nel 2011, Jennifer Doudna dell’Università della California Berkeley ed Emmanuelle Charpentier dell’Università di Umeå in Svezia erano perplessi su come il sistema CRISPR/Cas9 funzionasse effettivamente. Come faceva l’enzima Cas9 a far combaciare l’RNA delle foto segnaletiche con quello dei virus? Come faceva l’enzima a sapere quando iniziare a tagliare?
Gli scienziati hanno presto scoperto che potevano “ingannare” la proteina Cas9 nutrendola con RNA artificiale – una falsa foto segnaletica. Quando lo facevano, l’enzima cercava qualsiasi cosa con lo stesso codice, non solo i virus, e iniziava a tagliare. In un documento storico del 2012, Doudna, Charpentier e Martin Jinek hanno dimostrato che potevano usare questo sistema CRISPR/Cas9 per tagliare qualsiasi genoma in qualsiasi punto volessero.
Anche se la tecnica era stata dimostrata solo su molecole in provetta a quel punto, le implicazioni erano mozzafiato.
Seguirono altri progressi. Feng Zhang, uno scienziato del Broad Institute di Boston, è stato coautore di un articolo su Science nel febbraio 2013 che mostrava che CRISPR/Cas9 poteva essere usato per modificare i genomi di cellule di topo in coltura o cellule umane. Nello stesso numero di Science, George Church di Harvard e il suo team hanno mostrato come una diversa tecnica CRISPR potrebbe essere utilizzata per modificare le cellule umane.
Da allora, i ricercatori hanno scoperto che CRISPR/Cas9 è incredibilmente versatile. Non solo gli scienziati possono usare CRISPR per “silenziare” i geni tagliandoli fuori, ma possono anche sfruttare gli enzimi di riparazione per sostituire i geni desiderati nel “buco” lasciato dagli snippers (anche se quest’ultima tecnica è più difficile da realizzare). Così, per esempio, gli scienziati potrebbero dire all’enzima Cas9 di tagliare un gene che causa la malattia di Huntington e inserire un gene “buono” per sostituirlo.
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7724917/Artboard_1.jpg)
Il gene editing in sé non è nuovo. Varie tecniche per eliminare i geni sono in giro da anni. Ciò che rende CRISPR così rivoluzionario è che è così preciso: L’enzima Cas9 va per lo più dove gli si dice di andare. Ed è incredibilmente economico e facile: in passato, avrebbe potuto costare migliaia di dollari e settimane o mesi di manipolazione per alterare un gene. Ora potrebbe costare solo 75 dollari e richiedere solo poche ore. E questa tecnica ha funzionato su ogni organismo su cui è stata provata.
Ora è uno dei campi più caldi in circolazione. Nel 2011, c’erano meno di 100 articoli pubblicati su CRISPR. Nel 2018, ce n’erano più di 17.000, con perfezionamenti di CRISPR, nuove tecniche per manipolare i geni, miglioramenti nella precisione e altro ancora. “Questo è diventato un campo in così rapida evoluzione che ho persino difficoltà a tenere il passo ora”, dice Doudna. “Stiamo arrivando al punto in cui l’efficienza dell’editing genico è a livelli che saranno chiaramente utili a livello terapeutico e per un gran numero di altre applicazioni.”
C’è stata anche un’intensa battaglia legale su chi esattamente dovrebbe ottenere credito per questa tecnologia CRISPR e chi possiede i diritti potenzialmente lucrativi. È stato l’articolo di Doudna del 2012 all’Università della California Berkeley la svolta, o la ricerca di Zhang del 2013 al Broad Institute il progresso chiave? A settembre, una corte d’appello federale ha respinto gli argomenti dell’Università della California Berkeley che la scuola ha l’esclusiva sui brevetti CRISPR, sostenendo i brevetti del Broad Institute su alcune applicazioni CRISPR.
Ma la cosa importante è che CRISPR è arrivato.
Allora per cosa possiamo usare CRISPR?
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7220933/_81557950.jpg)
Così. Molte. Cose.
Paul Knoepfler, professore associato alla UC Davis School of Medicine, ha detto a Vox che CRISPR lo fa sentire come un “bambino in un negozio di caramelle”
Al livello più elementare, CRISPR può rendere molto più facile per i ricercatori capire cosa fanno effettivamente i diversi geni in diversi organismi – per esempio, eliminando singoli geni e vedendo quali tratti sono interessati. Questo è importante: mentre abbiamo una “mappa” completa del genoma umano dal 2003, non sappiamo veramente quale funzione hanno tutti quei geni. CRISPR può aiutare ad accelerare lo screening del genoma, e la ricerca genetica potrebbe avanzare in modo massiccio come risultato.
I ricercatori hanno anche scoperto che ci sono numerosi CRISPR. Quindi CRISPR è in realtà un termine piuttosto ampio. “E’ come il termine ‘frutta’ – descrive un’intera categoria”, ha detto Zhang della Broad. Quando la gente parla di CRISPR, di solito si riferisce al sistema CRISPR/Cas9 di cui abbiamo parlato qui. Ma negli ultimi anni, ricercatori come Zhang hanno trovato altri tipi di proteine CRISPR che funzionano anche come modificatori di geni. Cas13, per esempio, può modificare la sorella del DNA, l’RNA. “Cas9 e Cas13 sono come mele e banane”, ha aggiunto Zhang.
Il vero divertimento – e, potenzialmente, i veri rischi – potrebbe venire dall’uso di CRISPR per modificare varie piante e animali. Un articolo del 2016 su Nature Biotechnology di Rodolphe Barrangou e Doudna ha elencato una raffica di potenziali applicazioni future:
1) Modificare le colture per essere più nutrienti: gli scienziati del raccolto stanno già cercando di utilizzare CRISPR per modificare i geni di varie colture per renderle più gustose o più nutrienti o migliori sopravvissuti al calore e allo stress. Potrebbero potenzialmente usare CRISPR per eliminare gli allergeni nelle arachidi. I ricercatori coreani stanno cercando di vedere se CRISPR potrebbe aiutare le banane a sopravvivere a una malattia fungina mortale. Alcuni scienziati hanno dimostrato che CRISPR può creare mucche da latte senza corna – un enorme progresso per il benessere degli animali.
Di recente, grandi aziende come Monsanto e DuPont hanno iniziato a dare in licenza la tecnologia CRISPR, sperando di sviluppare nuove varietà di colture di valore. Anche se questa tecnica non sostituirà completamente le tecniche tradizionali di OGM, che possono trapiantare geni da un organismo all’altro, CRISPR è un nuovo strumento versatile che può aiutare a identificare i geni associati ai tratti desiderati delle colture molto più rapidamente. Potrebbe anche permettere agli scienziati di inserire i tratti desiderati nelle colture in modo più preciso rispetto all’allevamento tradizionale, che è un modo molto più disordinato di scambiare i geni.
“Con l’editing del genoma, possiamo assolutamente fare cose che non potevamo fare prima”, dice Pamela Ronald, una genetista vegetale dell’Università della California Davis. Detto questo, avverte che si tratta solo di uno dei tanti strumenti per la modifica delle colture in circolazione – e per allevare con successo nuove varietà potrebbero essere necessari ancora anni di test.
È anche possibile che questi nuovi strumenti possano suscitare polemiche. Gli alimenti che hanno avuto alcuni geni eliminati tramite CRISPR sono attualmente regolati in modo più leggero rispetto agli OGM tradizionali. I politici a Washington, DC, stanno attualmente discutendo se potrebbe avere senso ripensare i regolamenti qui. Questo pezzo per Ensia di Maywa Montenegro approfondisce alcuni dei dibattiti che CRISPR solleva in agricoltura.
2) Nuovi strumenti per fermare le malattie genetiche: Gli scienziati stanno usando CRISPR/Cas9 per modificare il genoma umano e cercare di eliminare malattie genetiche come la cardiomiopatia ipertrofica. Stanno anche cercando di usarlo sulle mutazioni che causano la malattia di Huntington o la fibrosi cistica, e stanno parlando di provarlo sulle mutazioni BRCA-1 e 2 legate al cancro al seno e alle ovaie. Gli scienziati hanno anche dimostrato che CRISPR può eliminare le infezioni da HIV dalle cellule T.
Finora, però, gli scienziati hanno testato tutto questo solo sulle cellule in laboratorio. Ci sono ancora alcuni ostacoli da superare prima che qualcuno inizi i test clinici sugli esseri umani. Per esempio, gli enzimi Cas9 possono occasionalmente “fare cilecca” e modificare il DNA in luoghi inaspettati, il che nelle cellule umane potrebbe portare al cancro o addirittura creare nuove malattie. Come il genetista Allan Bradley, del Wellcome Sanger Institute inglese, ha detto a STAT, la capacità di CRISPR di creare scompiglio sul DNA è stata “seriamente sottovalutata”.
E mentre ci sono stati anche importanti progressi nel migliorare la precisione di CRISPR e ridurre questi effetti fuori bersaglio, gli scienziati stanno invitando alla cautela sui test umani. Questa è una grande ragione per cui gli esperimenti di Jiankui nel produrre bambini umani con genomi modificati con CRISPR sono così controversi e allarmanti. I ricercatori che hanno esaminato i pochi risultati che Jiankui ha rivelato pubblicamente hanno detto che i risultati hanno mostrato che i geni dei bambini non sono stati modificati con precisione. C’è anche molto lavoro da fare per consegnare effettivamente le molecole di editing a particolari cellule – una grande sfida per il futuro.
3) Nuovi potenti antibiotici e antivirali: Uno dei fatti più spaventosi per la salute pubblica è che stiamo esaurendo gli antibiotici efficaci perché i batteri evolvono la resistenza ad essi. Attualmente, è difficile e costoso sviluppare nuovi antibiotici per infezioni mortali. Ma i sistemi CRISPR/Cas9 potrebbero, in teoria, essere sviluppati per sradicare certi batteri più precisamente che mai (anche se, di nuovo, capire i meccanismi di consegna sarà una sfida). Altri ricercatori stanno lavorando su sistemi CRISPR che mirano a virus come l’HIV e l’herpes.
4) Gene drive che potrebbero alterare intere specie: Gli scienziati hanno anche dimostrato che CRISPR potrebbe essere usato, in teoria, per modificare non solo un singolo organismo ma un’intera specie. Si tratta di un concetto inquietante chiamato “gene drive”
Funziona così: Normalmente, ogni volta che un organismo come un moscerino della frutta si accoppia, c’è un 50-50 di possibilità che passi un dato gene alla sua prole. Ma usando CRISPR, gli scienziati possono alterare queste probabilità in modo che ci sia quasi il 100 per cento di possibilità che un particolare gene venga trasmesso. Usando questo gene drive, gli scienziati potrebbero garantire che un gene alterato si propaghi in un’intera popolazione in breve tempo:
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7724927/Artboard_3.jpg)
Sfruttando questa tecnica, gli scienziati potrebbero, per esempio, modificare geneticamente le zanzare per produrre solo prole maschile – e poi usare un gene drive per spingere questo tratto attraverso un’intera popolazione. Nel corso del tempo, la popolazione si estinguerebbe. “O si potrebbe semplicemente aggiungere un gene che le renda resistenti al parassita della malaria, impedendo la sua trasmissione agli esseri umani”, spiega Dylan Matthews di Vox nella sua storia sulle unità genetiche CRISPR per la malaria.
Basta dire che ci sono anche ostacoli da superare prima che questa tecnologia sia diffusa in massa – e non necessariamente quelli che ci si aspetta. “Il problema dei gene drive della malaria sta diventando rapidamente un problema di politica e di governance più che un problema di biologia”, scrive Matthews. I regolatori dovranno capire come gestire questa tecnologia, e gli etici dovranno affrontare questioni nodose sulla sua equità.
5) Creare “designer babies”: Questo è quello che riceve più attenzione, e giustamente. Non è del tutto inverosimile pensare che un giorno potremmo essere abbastanza fiduciosi nella sicurezza di CRISPR da usarlo per modificare il genoma umano – per eliminare le malattie, o per selezionare l’atletismo o l’intelligenza superiore.
Ma il recente tentativo di Jiankui di introdurre la protezione dall’HIV negli embrioni destinati alla gravidanza, che ha coinvolto poca supervisione, non è come la maggior parte degli scienziati vuole che il campo vada avanti.
La preoccupazione è che non ci sono ancora abbastanza garanzie per evitare danni né abbastanza conoscenze per fare definitivamente del bene. Nel caso di Jiankui, inoltre, non ha detto alla sua università del suo esperimento in anticipo, probabilmente non ha informato completamente i genitori dei bambini modificati dei rischi connessi, e potrebbe aver avuto un incentivo finanziario dalle sue due aziende biotecnologiche affiliate.
Non siamo nemmeno vicini al punto in cui gli scienziati potrebbero tranquillamente fare i cambiamenti complessi necessari, per esempio, per migliorare l’intelligenza, in parte perché coinvolge così tanti geni. Quindi non sognate ancora Gattaca.
“Penso che la realtà è che non capiamo ancora abbastanza sul genoma umano, come i geni interagiscono, quali geni danno origine a certi tratti, nella maggior parte dei casi, per consentire l’editing per il miglioramento oggi”, ha detto Doudna nel 2015.
Aspetta, dovremmo davvero creare bambini di design?
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7220099/_299699342.jpg)
Viste tutte le questioni delicate associate all’editing genico, molti scienziati stanno sostenendo un approccio lento. Stanno anche cercando di mantenere la conversazione su questa tecnologia aperta e trasparente, costruire la fiducia del pubblico ed evitare alcuni degli errori che sono stati fatti con gli OGM. Ma con la facilità d’uso di CRISPR e i bassi costi, è difficile tenere sotto controllo gli esperimenti disonesti.
Nel febbraio 2017, un rapporto dell’Accademia Nazionale delle Scienze ha detto che i test clinici potrebbero essere approvati in futuro “per condizioni gravi sotto una rigorosa supervisione”. Ma ha anche chiarito che “l’editing del genoma per il miglioramento non dovrebbe essere consentito in questo momento.”
La società deve ancora affrontare tutte le considerazioni etiche in gioco. Per esempio, se modificassimo una linea germinale, le generazioni future non sarebbero in grado di rinunciare. I cambiamenti genetici potrebbero essere difficili da annullare. Anche questa posizione ha preoccupato alcuni ricercatori, come Francis Collins del National Institutes of Health, che ha detto che il governo degli Stati Uniti non finanzierà alcun editing genomico di embrioni umani.
Nel frattempo, i ricercatori negli Stati Uniti che possono raccogliere i propri fondi, insieme ad altri nel Regno Unito, Svezia e Cina, stanno andando avanti con i loro esperimenti.
Altre letture
- Julia Belluz ha discusso le implicazioni dell’annuncio sorprendente di He Jiankui di bambini umani con genomi modificati e le prospettive delle cliniche CRISPR negli Stati Uniti.
- Abbiamo anche riportato su due strumenti CRISPR che superano le parti più spaventose dell’editing genico.
- Ezra Klein ha intervistato Jennifer Doudna della UC Berkeley, uno dei principali ricercatori CRISPR, sul suo podcast in ottobre.
- Michael Specter ha scritto “Rewriting the Code of Life” sul New Yorker.
- Carl Zimmer è stato sul ritmo CRISPR per molto tempo. Il suo pezzo del 2015 in Quanta è ben degno di essere letto.
- Sharon Begley è stato anche sul battito CRISPR, e recentemente ha spacchettato gli ultimi studi sui potenziali danni dell’editing genico.
- Nel 2016, Nature ha esplorato alcune delle sottili limitazioni di CRISPR – e la ricerca di ulteriori strumenti di gene-editing. E questo precedente articolo su Nature di Heidi Ledford è un’immersione deliziosamente stravagante nei modi in cui i ricercatori potrebbero usare CRISPR per esplorare il genoma. Vale anche la pena controllare questo documento che elenca tutte le applicazioni future di CRISPR.
Milioni si rivolgono a Vox per capire cosa sta succedendo nelle notizie. La nostra missione non è mai stata così vitale come in questo momento: dare potere attraverso la comprensione. I contributi finanziari dei nostri lettori sono una parte fondamentale per sostenere il nostro lavoro ad alta intensità di risorse e ci aiutano a mantenere il nostro giornalismo libero per tutti. Aiutaci a mantenere il nostro lavoro libero per tutti dando un contributo finanziario a partire da soli 3 dollari.