Ingegneria genetica: una rivoluzione in corso?

Il termine “ingegneria genetica” è stato coniato nel 1965 per indicare “l’insieme delle tecniche volte a trasferire nella struttura della cellula di un essere vivente alcune informazioni genetiche che altrimenti non avrebbe avuto” (Treccani). Negli ultimi cinquant’anni le conoscenze tecnologiche hanno fatto passi da gigante, e ci hanno permesso di migliorare notevolmente anche le tecniche per ingegnerizzare i microrganismi. Ma a che cosa serve l’ingegneria genetica? Le biotecnologie, applicazione tecnologica che si serve dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine specifico, servono anche per l’ingegneria genetica. È possibile ingegnerizzare organismi e microrganismi con gli intenti più disparati, siano essi puramente commerciali come l’ottenimento di vegetali resistenti ai pesticidi in modo da poterne usare in quantità ingenti senza danneggiare il raccolto, oppure di utilizzo medico come la produzione di insulina da parte di batteri ingegnerizzati. In ogni caso, l’inserimento di materiale genetico che modifichi l’organismo di partenza rappresenta un’ingegnerizzazione. Come al solito Madre Natura ci ha preceduto, basti pensare al trasferimento genetico orizzontale come modalità di passaggio di materiale genetico sia a livello inter-specifico che intra-specifico. Il problema della resistenza agli antibiotici prende origine proprio da questo tipo di fenomeno: lo scambio di plasmidi ricchi di determinanti genetici di resistenza agli antibiotici ha creato dei veri e propri “mostri biologici” che spaventano notevolmente la comunità scientifica per le grandi difficoltà terapeutiche che creano. In un primo momento, e sto parlando degli anni Ottanta del secolo scorso, un sistema basato sul trasferimento genetico orizzontale era stato messo a punto per batteri Gram-negativi non troppo vicini filogeneticamente ad Escherichia coli. Il sistema consiste di due componenti: un ceppo donor di E. coli e plasmidi derivati dal ceppo vettore di E. coli. I ceppi donor avevano integrato nel cromosoma i geni per la mobilitazione del plasmide di interesse. Con questo sistema era possibile utilizzare come ceppo ricevente qualsiasi batterio Gram-negativo, e come vettori plasmidi derivati da quelli comunemente usati per E. coli.

Coniugazione batterica, passaggio di materiale genetico da un ceppo donatore a uno ricevente. Crediti immagini Pinterest

Questi non sono in grado di replicarsi in ceppi batterici che non appartengono al gruppo degli enterobatteri e quindi erano utilizzati come trasposoni contenenti elementi di mutagenesi. Questo tipo di vettore non era mantenuto dai batteri riceventi se non appartenevano al gruppo degli enterobatteri, risultando particolarmente utile nella mutagenesi sito-diretta e sito-specifica. I batteri sono in grado di difendersi dall’ingresso di DNA estraneo grazie a un pool di enzimi come la ricombinasi A, o recA, proteina che è coinvolta nella ricombinazione omologa di materiale genetico. Grazie alla presenza di recA il DNA a singolo filamento che non viene riconosciuto come omologo a quello a doppio filamento che fa parte del patrimonio genetico del batterio viene avviato verso la distruzione. Questo processo rappresenta quindi una forma di difesa nei confronti di materiale esogeno e potenzialmente indesiderato. Una scoperta piuttosto recente ha invece portato alla luce dei riflettori della comunità scientifica l’esistenza di qualcosa di assimilabile a un “sistema immunitario” nei microrganismi: il sistema CRISPR/Cas9, descritto precedentemente nel nostro blog (http://microbiologiaitalia.altervista.org/crisprcas9-una-tecnica-rivoluzionaria/?no_frame=1).

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) sono rappresentate da brevi sequenze ripetute e intervallate da altrettanto brevi sequenze spaziatrici che, con i geni cas (CRISPR-associated), rappresentano un vero e proprio sistema immunitario in grado di proteggere batteri e Archaea dalle infezioni virali. Il sistema è in grado di inserire una breve sequenza di DNA virale infettante come spaziatore tra le sequenze CRISPR, che viene poi trascritta generando un RNA antisenso che è usato come ricognitore e guida nel corso delle infezioni seguenti. È stata scoperto un cluster di geni cas, cas9, che permette di sfruttare al meglio le potenzialità del sistema. Il sistema CRISPR/cas9 è diventato uno strumento di editing genetico potente e preciso, che ha rivoluzionato il concetto di ingegneria genetica e le possibilità di terapia genica. Nel campo delle applicazioni in genetica umana, infatti, questo sistema appare particolarmente versatile e preciso. La presenza di un’endonucleasi guidata da RNA come cas9 permette di lavorare su DNA a doppio filamento in loci specifici individuando un gene di interesse, creando una rottura nel doppio filamento di DNA  e “neutralizzando” il gene target con inserzioni e delezioni. In alternativa, è possibile inserire DNA omologo per riparare la rottura generata nel doppio filamento modificando il locus con un editing preciso e raffinato. Questo sistema così preciso e potente può essere applicato sia ai modelli animali, ottenendo risultati molto promettenti, che in futuro alla terapia genica. Ancora una volta la microbiologia ci viene in aiuto, offrendo un sistema di editing genetico altamente efficiente e molto promettente dal punto di vista applicativo.

Priscilla Cocchi

Sitografia:

https://it.wikipedia.org/wiki/Biotecnologia

http://www.nature.com/nbt/journal/v1/n9/abs/nbt1183-784.html

http://earth.callutheran.edu/Academic_Programs/Departments/BioDev/omm/reca/recamast.htm

Bibliografia:

Bikard D, Marraffini LA. Control of gene expression by CRISPR-Cas systems. F1000Prime Rep. 2013 Nov 1;5:47. doi: 10.12703/P5-47. Review. PMID:24273648

Jiang W, Maniv I, Arain F, Wang Y, Levin BR, Marraffini LA. Dealing with the evolutionary downside of CRISPR immunity: bacteria and beneficial plasmids. PLoS  Genet. 2013;9(9):e1003844. doi: 10.1371/journal.pgen.1003844. PMID: 24086164

Salsman J, Dellaire G. Precision Genome Editing in the CRISPR Era. Biochem Cell Biol. 2016 Sep 29. doi: 10.1139/bcb-2016-0137. PMID: 28177771.

Crediti immagini>

http://www.publicdomainpictures.net/view-image.php?image=31530&picture=&jazyk=IT

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