La tecnica che rivoluziona l’ingegneria genetica

Emmanuelle Charpentier, 48 anni, è una microbiologa francese che ha passato la vita a studiare i batteri. Jennifer Doudna, 51 anni, è invece una biochimica americana che si occupa di RNA. Quando si incontrarono per la prima volta nel 2011, nessuna delle due avrebbe potuto immaginare che solo quattro anni dopo sarebbero finite nella lista delle 100 personalità più influenti secondo la rivista Time. Né che la scoperta che stavano per fare insieme avrebbe rivoluzionato completamente il mondo della genetica e quello biomedico, aprendo scenari eccitanti quanto eticamente problematici.

La lezione dei batteri

La storia comincia nel porto di Santa Pola, sulla costa orientale della Spagna. Era il 1993 e un giovane biologo, Francisco Mojica, stava studiando una specie di archeobatteri alofili, cioè con un’estrema tollerabilità a elevate concentrazioni saline. Analizzando alcuni frammenti del DNA di questo organismo, Mojica aveva scoperto una cosa molto curiosa: la presenza in essi di copie multiple e quasi identiche di una sequenza palindroma di circa 30 basi. Queste strane sequenze ripetute erano separate da tratti di DNA altrettanto caratteristici, sempre lunghi 36 basi. Continuando le sue ricerche, Mojica individuò tratti di DNA con caratteristiche simili anche in altre specie di batteri filogeneticamente molto distanti, da cui dedusse che dovevano avere una funzione importante, dato che si erano conservati lungo l’evoluzione.
Li chiamò CRISPR (si pronuncia crisper), da Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (brevi ripetizioni palindrome interspaziate in modo regolare). Nel 2002, Mojica aveva scoperto la presenza di CRISPR in circa 40 specie di batteri, ma quanto al loro ruolo non c’era ancora alcuna certezza. Fu solo quando si concentrò sui tratti di DNA spaziatore (spacer), che arrivò l’intuizione giusta. Scoprì che uno spacer presente nel batterio Escherichia coli presentava la stessa sequenza di basi di un virus, il batteriofago P1, che infetta proprio questi batteri. Eppure, il particolare ceppo di E. coli analizzato da Mojica risultava immune all’infezione: Mojica iniziò a sospettare che ci potesse essere una correlazione tra la resistenza all’infezione e la presenza del DNA virale nei batteri.

Nel giro di pochi giorni, scoprì, inoltre, che non era un caso isolato: trovò in vari batteri altri spacer uguali a sequenze nucleotidiche presenti nei batteriofagi e arrivò a formulare la sua ipotesi: cioè, che le CRISPR contenessero le istruzioni per innescare un meccanismo in grado di proteggere i batteri dalle infezioni virali. In pratica, una sorta di sistema immunitario. Altri ricercatori in Francia, intanto, stavano giungendo alle stesse conclusioni e un’ulteriore conferma arriverà nel 2007 dal laboratorio di un’azienda danese di prodotti caseari. Qui tecnici e ricercatori stavano cercando di selezionare ceppi di Streptococcus thermophilus, un batterio comunemente utilizzato per la produzione di yogurt e formaggi, resistenti alle infezioni virali. A un certo punto scoprirono che se i batteri presentavano sequenze spacer simili a tratti di DNA presenti in alcuni virus, erano immuni all’infezione da parte di questi ultimi. Non solo: scoprirono anche che il DNA spacer è proprio DNA virale, strappato a virus che hanno infettato i batteri in precedenza. In pratica, a ogni invasione virale, frammenti di DNA del nemico sono integrati nei CRISPR, come nuovi spacer, costituendo una specie di sistema immunitario che, in qualche modo, protegge i batteri da successive invasioni.

Il sistema di difesa CRISPR-Cas9

Ma come funziona esattamente il sistema di difesa? In che modo la presenza di DNA spacer permette di evitare nuove infezioni? La prima cosa da dire è che queste sequenze vengono trascritte in particolari molecole di RNA a doppio filamento che funzionano come sentinelle, in grado di riconoscere tratti complementari di DNA virale. Se lo stesso tipo di virus al quale era stato “strappato” lo spacer torna a infettare il batterio, le molecole di RNA sentinella (o RNA guida), trascritte a partire da quello spacer, lo riconoscono grazie alla complementarietà delle basi. A questo punto, però, bisogna chiamare in causa anche un nuovo elemento, questa volta un enzima. Si tratta di una nucleasi, cioè un enzima in grado di tagliare le molecole di DNA e di RNA, chiamata Cas9. Cas sta proprio per proteina CRISPR-associated (associata a CRISPR) ed è codificata da geni omonimi che si trovano fisicamente vicini alle sequenze CRISPR. L’enzima Cas9 è associato alle molecole di RNA-guida: una volta che queste hanno legato il DNA virale, Cas9 si attiva e frammenta quest’ultimo, inattivandolo.