Sin dal suo inizio quattro decenni fa, l'ingegneria genetica è diventata una fonte di grande speranza nel settore sanitario, agricolo e industriale. Ma ha anche causato profonda preoccupazione, non da ultimo a causa della laboriosità del processo di modifica del genoma. Ora, una nuova tecnica, CRISPR-Cas, offre sia la precisione che la capacità di alterare il testo del genoma in più posizioni contemporaneamente. Ma questo non ha eliminato il motivo di preoccupazione.
Il genoma può essere visto come una specie di spartito musicale. Allo stesso modo in cui le note dicono ai musicisti di un'orchestra quando e come suonare, il genoma dice alle parti costituenti della cellula (solitamente le proteine) cosa dovrebbero fare. La partitura può anche includere note del compositore che indicano possibili cambiamenti, eccessi, che possono essere aggiunti o esclusi, a seconda dei casi. Per il genoma, tali "note" derivano dalla vita delle cellule nel corso di molte generazioni in un ambiente in continua evoluzione.
Il programma genetico del DNA è simile a un libro fragile: l'ordine delle sue pagine può cambiare e alcune possono persino entrare nel programma di altre cellule. Se una pagina è, ad esempio, laminata, è meno soggetta a danneggiarsi mentre gira. Allo stesso modo, elementi del programma genetico, protetti da un forte rivestimento, sono in grado di penetrare meglio in varie cellule e quindi riprodursi man mano che la cellula si divide.
Successivamente, questo elemento diventa un virus a rapida diffusione. Il passo successivo è una cellula che riproduce il virus - inutile o dannoso - per sviluppare un modo per contrastarlo. E in effetti, è così che è emerso per la prima volta il processo CRISPR-Cas per proteggere i batteri dall'invasione di virus.
Questo processo consente alle proprietà acquisite di diventare ereditabili. Durante la prima infezione, un piccolo frammento del genoma virale - una sorta di firma - viene copiato nell'isola genomica CRISPR (un frammento aggiuntivo del genoma, al di fuori del testo del genoma genitoriale). Di conseguenza, il ricordo dell'infezione persiste per generazioni. Quando un discendente di una cellula viene infettato da un virus, la sequenza verrà confrontata con il genoma virale. Se un virus simile ha infettato il genitore della cellula, il discendente lo riconoscerà e meccanismi speciali lo distruggeranno.
Per gli scienziati, questo complesso processo di decifrazione ha richiesto molti decenni, non da ultimo perché contraddiceva le teorie standard dell'evoluzione. Ma fino ad oggi, gli scienziati hanno capito come replicare il processo, consentendo agli esseri umani di modificare genomi specifici con la massima precisione, praticamente il Santo Graal dell'ingegneria genetica in quasi 50 anni.
Ciò significa che gli scienziati possono utilizzare il meccanismo CRISPR-Cas per risolvere i problemi nel genoma, l'equivalente di errori di battitura nel testo scritto. Ad esempio, nel caso del cancro, vorremmo distruggere quei geni che consentono alle cellule tumorali di moltiplicarsi. Siamo anche interessati a introdurre geni in cellule che non li hanno mai ricevuti per trasmissione genetica naturale.
Non c'è niente di nuovo per questi scopi. Ma con CRISPR-Cas, siamo molto più attrezzati per raggiungerli. I metodi precedenti hanno lasciato tracce nei genomi modificati, contribuendo, ad esempio, alla resistenza agli antibiotici. Al contrario, una mutazione prodotta da CRISPR-Cas non è diversa da una mutazione nata spontaneamente. Questo è il motivo per cui la Food and Drug Administration statunitense ha stabilito che tali ingredienti non dovrebbero essere etichettati come organismi geneticamente modificati.
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Se più geni dovevano essere modificati, i metodi precedenti erano particolarmente difficili perché il processo doveva essere eseguito in sequenza. Grazie a CRISPR-Cas, la capacità di eseguire contemporaneamente modifiche genomiche ha permesso la creazione di funghi e mele che non si ossidano o diventano marroni a contatto con l'aria - un risultato che richiede la disattivazione simultanea di più geni. Queste mele sono già in commercio e non sono considerate organismi geneticamente modificati.
Altre applicazioni sono in fase di sviluppo. La cosiddetta procedura di generazione del gene per manipolare il genoma può ridurre i danni causati dagli insetti portatori di malattie. La modifica mirata dei gameti nelle zanzare, il più mortale al mondo per l'uomo, le renderebbe incapaci di trasmettere virus o parassiti.
Ma l'uso di CRISPR-Cas deve essere affrontato con cautela. Sebbene questa tecnologia possa rivelarsi un vantaggio nella lotta contro molte malattie mortali, comporta anche rischi gravi e potenzialmente completamente imprevedibili. Primo, poiché i genomi si riproducono e si diffondono per riproduzione, la modifica di un'intera popolazione richiederà solo la modifica di un numero limitato di individui, soprattutto se il ciclo di vita dell'organismo è breve.
Inoltre, data l'ubiquità dell'ibridazione tra le specie vicine, è possibile che la modifica di una specie di zanzara si diffonda gradualmente e in modo incontrollabile anche ad altre specie. L'analisi dei genomi animali mostra che tali eventi si sono verificati in passato, con specie catturate da elementi genetici che potrebbero influenzare gli equilibri dell'ecosistema e l'evoluzione delle specie (anche se è impossibile dire come). E se cambiare la popolazione di zanzare è pericoloso, non si sa cosa potrebbe accadere se modifichiamo le cellule umane - in particolare le cellule germinali - senza un'attenta analisi.
La tecnologia CRISPR-Cas è pronta a cambiare il mondo. La sfida principale oggi è garantire che questi cambiamenti funzionino.
Antoine Danchin
