Jennifer Doudna e Emmanuelle Charpentier condividono il premio Nobel per la chimica 2020 per la loro scoperta di una tecnica di editing genico che cambia il gioco.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
È CRISPR. Due scienziati che sono stati i pionieri della rivoluzionaria tecnologia di editing genico sono i vincitori del Premio Nobel per la Chimica di quest’anno.
La selezione da parte del Comitato del Nobel di Emmanuelle Charpentier, ora all’Unità Max Planck per la Scienza dei Patogeni a Berlino, e Jennifer Doudna, all’Università della California, Berkeley, mette fine ad anni di speculazioni su chi sarebbe stato riconosciuto per il loro lavoro di sviluppo degli strumenti di editing genico CRISPR-Cas9. La tecnologia permette modifiche precise al genoma e ha travolto i laboratori di tutto il mondo dal suo inizio negli anni 2010. Ha innumerevoli applicazioni: i ricercatori sperano di usarla per alterare i geni umani per eliminare le malattie; creare piante più resistenti; eliminare gli agenti patogeni e altro ancora.
“La capacità di tagliare il DNA dove si vuole ha rivoluzionato le scienze della vita”, ha detto Pernilla Wittung Stafshede, un chimico biofisico e membro del comitato chimico del Nobel, all’annuncio del premio. “Le ‘forbici genetiche’ sono state scoperte solo otto anni fa, ma hanno già portato grandi benefici all’umanità”.
Doudna e Charpentier e i loro colleghi hanno fatto un lavoro iniziale critico caratterizzando il sistema, ma diversi altri ricercatori sono stati citati – e riconosciuti in altri premi di alto profilo – come collaboratori chiave nello sviluppo di CRISPR. Essi includono Feng Zhang al Broad Institute del MIT e Harvard a Cambridge, Massachusetts, George Church alla Harvard Medical School di Boston, Massachusetts, e il biochimico Virginijus Siksnys all’Università di Vilnius in Lituania (vedi ‘I molti pionieri di CRISPR’).
Doudna stava “davvero dormendo profondamente” quando il suo telefono ronzante l’ha svegliata e ha preso una chiamata da un reporter di Nature, che ha dato la notizia. “Sono cresciuta in una piccola città delle Hawaii e mai in 100 milioni di anni avrei immaginato che questo accadesse”, dice Doudna. “
“Conosco così tanti scienziati meravigliosi che non riceveranno mai questo premio, per ragioni che non hanno nulla a che fare con il fatto che sono scienziati meravigliosi”, dice Doudna.
Nato dai batteri
CRISPR, abbreviazione di clustered regularly interspaced short palindromic repeats, è un “sistema immunitario” microbico che i procarioti – batteri e archei – usano per prevenire le infezioni da virus chiamati fagi. Nel suo nucleo, il sistema CRISPR dà ai procarioti la capacità di riconoscere precise sequenze genetiche che corrispondono a un fago o ad altri invasori e bersagliare queste sequenze per la distruzione utilizzando enzimi specializzati.
Il lavoro precedente aveva identificato questi enzimi, noti come proteine associate a CRISPR (Cas), compreso uno chiamato Cas9. Ma Charpentier, lavorando prima all’Università di Vienna e poi al Centro Umeå per la ricerca microbica in Svezia, ha identificato un altro componente chiave del sistema CRISPR, una molecola di RNA che è coinvolta nel riconoscimento delle sequenze fagiche, nel batterio Streptococcus pyogenes, che può causare malattie negli esseri umani.
Charpentier ha riportato la scoperta nel 2011 e quell’anno ha avviato una collaborazione con Doudna. In un importante articolo del 2012 su Science1, il duo ha isolato i componenti del sistema CRISPR-Cas9, li ha adattati per funzionare in provetta e ha dimostrato che il sistema potrebbe essere programmato per tagliare siti specifici nel DNA isolato. Il loro sistema di editing genico programmabile ha ispirato una corsa all’oro di innumerevoli applicazioni nella medicina, nell’agricoltura e nella scienza di base, e il lavoro continua per mettere a punto e migliorare CRISPR e per identificare altri strumenti di editing genico.
“Speravamo di poter davvero tradurre questo in una tecnologia per riscrivere il codice genetico delle cellule e degli organismi”, dice Martin Jinek, un biochimico dell’Università di Zurigo che era un postdoc nel laboratorio di Doudna e un primo autore del fondamentale articolo di Science. “Quello che non avevamo capito era quanto velocemente la tecnologia sarebbe stata adottata da altri nel campo e poi portata avanti.”
I molti pionieri di CRISPR
Non ci sarebbe CRISPR senza Francisco Mojica. Il microbiologo, all’Università di Alicante in Spagna, ha contribuito a dare il nome al sistema. Nel 1993, Mojica ha identificato particolari sequenze di DNA ripetitivo nel genoma dell’archeo Haloferax. Più tardi dimostrò che sequenze simili erano diffuse nei procarioti e corrispondevano al materiale genetico dei fagi, virus che infettano i batteri.
Nel 2005, Mojica ipotizzò che queste sequenze fossero parte di un sistema immunitario microbico. Con Ruud Jansen dell’Università di Utrecht nei Paesi Bassi, Mojica ha inventato l’acronimo ora vincitore del premio Nobel: CRISPR, abbreviazione di clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Per il suo lavoro su CRISPR, Mojica ha condiviso il premio per la medicina dell’Albany Medical Center di 500.000 dollari nel 2017 con Charpentier, Doudna, Feng Zhang e Luciano Marraffini alla Rockefeller University di New York City.
Doudna e Charpentier non sono stati gli unici scienziati a capire che il sistema CRISPR potrebbe essere programmato per tagliare altri pezzi di DNA. Nel 2012 – circa il tempo in cui il duo ha pubblicato i loro esperimenti che mostravano che il sistema CRISPR-Cas9 poteva tagliare il DNA isolato – un team guidato dal biochimico Virginijus Šikšnys all’Università di Vilnius in Lituania, ha mostrato come l’enzima Cas9 potrebbe essere istruito a tagliare sequenze di DNA predefinite. Nel 2018, Šikšnys ha condiviso il premio Kavli in Nanoscienza con Doudna e Charpentier.
La decisione del comitato del Nobel di non includere Zhang è stata una delle più grandi sorprese. Il genetista è stato comunemente nominato, con Charpentier e Doudna, come il trio più probabile per vincere un premio Nobel per CRISPR. Il team di Zhang, in un articolo su Science del 2013, ha modificato il sistema CRISPR-Cas9 per effettuare tagli precisi del genoma in cellule umane e di topo. Il team di Church ha descritto il lavoro di taglio del DNA delle cellule umane intorno allo stesso tempo.
Jin-Soo Kim, un ingegnere del genoma presso l’Istituto per la scienza di base a Daejeon, Corea del Sud, e uno dei primi ad adattare CRISPR per l’editing del genoma in una varietà di cellule diverse, dice che anche se è entusiasta dell’annuncio del premio Nobel, è stato sorpreso che il biochimico Dana Carroll dell’Università dello Utah a Salt Lake City è stato trascurato. Carroll ha sviluppato modi per impiegare altri enzimi, chiamati nucleasi a dito di zinco, per modificare i genomi, ben prima dei giorni di CRISPR.
Anche se CRISPR è più facile da usare rispetto alle zinco-dita nucleasi, Kim dice che considera Carroll il fondatore del campo del genome-editing. “Senza dubbio Doudna e Charpentier meritano il riconoscimento”, dice. “Ma senza la dimostrazione dell’editing del genoma tramite le nucleasi a dito di zinco, non molte persone avrebbero potuto immaginare l’uso di CRISPR-Cas9 per l’editing del genoma.”
Race to commercialize
In meno di un decennio, i ricercatori hanno usato CRISPR-Cas9 per sviluppare colture modificate dal genoma, insetti, modelli genetici e terapie umane sperimentali. Test clinici sono in corso per utilizzare la tecnica per trattare l’anemia falciforme, la cecità ereditaria e il cancro. Doudna, Charpentier e altri nel campo, hanno lanciato una generazione di aziende biotecnologiche volte a sviluppare la tecnica per raggiungere questi obiettivi.
Ma la tecnologia ha anche generato polemiche – in particolare per le sue nascenti applicazioni nelle cellule umane. Nel novembre 2018, il biofisico cinese He Jiankui ha annunciato che due ragazze gemelle erano nate da embrioni che lui e i suoi colleghi avevano modificato usando CRISPR-Cas9. La notizia ha scatenato un clamore: l’editing degli embrioni solleva una serie di preoccupazioni etiche, sociali e di sicurezza, e molti ricercatori in tutto il mondo hanno rapidamente condannato il lavoro di He.
A settembre, una commissione internazionale convocata dalle principali società scientifiche statunitensi e britanniche ha concluso nuovamente che la tecnologia non è pronta per l’uso in embrioni umani destinati all’impianto.
Il lavoro ha anche scatenato una feroce battaglia di brevetti – principalmente tra il Broad Institute e l’Università della California, Berkeley – che rimbomba fino ad oggi su chi possiede i lucrativi diritti di proprietà intellettuale per l’editing del genoma CRISPR-Cas9.
Ancora, Church è d’accordo con come il premio è stato suddiviso. Anche se è orgoglioso del lavoro nel suo laboratorio e in quello di Zhang – che ha adattato il sistema per funzionare in cellule di mammiferi, aprendo la porta alla modellazione e potenzialmente al trattamento delle malattie umane – Church dice che questo lavoro potrebbe essere classificato come ingegneria e invenzione, piuttosto che scoperta scientifica. “Penso che sia una grande scelta”, dice.
È sempre difficile individuare una scoperta per un premio, dice Francis Collins, un genetista e capo del National Institutes of Health degli Stati Uniti a Bethesda, Maryland. “Praticamente nulla viene fuori dal nulla”, dice. “È difficile quando si guarda a qualsiasi scoperta decidere chi scegliere”.
Ma un aspetto unico del genoma editing CRISPR-Cas9 è stata la facilità e la versatilità della tecnica, aggiunge. “CRISPR-Cas ha reso questo molto più facilmente accettabile”, dice Collins. “Non c’è laboratorio di biologia molecolare che io conosca che non abbia iniziato a lavorare con CRISPR-Cas”.