La scoperta e la caratterizzazione di CRISPR-Cas9, un sistema immunitario che difende i batteri dalle infezioni virali, ha fornito ai ricercatori una tecnologia estremamente efficace per la modificazione dei genomi (o genome editing), dando inizio ad una vera e propria rivoluzione che va dalla medicina all’agro-alimentare. CRISPR-Cas9 agisce come una forbice molecolare che può essere programmata secondo le necessità per tagliare e riscrivere specifiche sequenze di DNA all’interno di un genoma. Le enormi potenzialità offerte da questa tecnologia sono limitate, soprattutto nel campo medicale, da possibili errori di taglio, detti eventi off-target, ovvero letteralmente tagli fuori bersaglio, che avvengono nel genoma durante la sua applicazione. Non appena ci si è resi conto di questa imprecisione, numerosi gruppi di ricerca a livello mondiale hanno iniziato ad elaborare strategie per rendere CRISPR-Cas9 uno strumento sempre più preciso. I gruppi di ricerca guidati da Feng Zhang dell’MIT e da Keith Young di Harvard hanno utilizzato un approccio di ingegnerizzazione razionale della proteina Cas9, impiegando le informazioni disponibili sulla sua struttura tridimensionale. Sulla stessa linea si è mossa anche Jennifer Doudna di Berkeley, la scopritrice del genome editing mediato da Cas9, generando una ulteriore variante.
Mentre venivano pubblicati questi importanti risultati ottenuti dai gruppi americani, il nostro team al CIBIO coordinato da Anna Cereseto con Antonio Casini aveva già da un paio di anni iniziato ad affrontare il problema dell’imprecisione di Cas9 da una diversa angolazione, abbandonando un approccio razionale, e prendendo in prestito dalla Natura un “motore di ricerca” per varianti ad alta fedeltà della proteina Cas9: l’evoluzione. Per ricapitolare nel modo più fedele possibile un ambiente cellulare simile a quello delle cellule umane abbiamo deciso di impiegare i lieviti per i suoi esperimenti di evoluzione in vitro, dato che questi microrganismi sono più simili alle cellule umane e hanno il grande vantaggio di essere facili da coltivare in laboratorio. Utilizzando dunque un apposito lievito modificato per crescere in maniera diversa a seconda della precisione del taglio della Cas9 presente al suo interno, siamo riusciti ad ottenere un’efficace selezione di Cas9 migliori in termini di precisione e attività enzimatica partendo da una vasta “libreria” di mutanti ottenuti alterando casualmente la sequenza codificante per la proteina. Dopo questa prima fase iniziale di scrematura, le fasi successive hanno visto test comparativi in cellule umane per finalizzare il “cocktail” di mutazioni caratterizzanti la nuova variante evoCas9, così denominata per essere “evoluta” rispetto all’originale. I dati dimostrano che evoCas9 ha una precisione del 99 %, quindi superiore a tutte le altre varianti attualmente disponibili. Questo dimostra che la scelta di affidare alla Natura il compito di selezionare varianti migliori è stato vincente rispetto ad un approccio puramente “razionale”.
evoCas9 promette di essere risolutiva per la cura di malattie genetiche. La forza di evoCas è la sua capacità di distinguere due sequenze di DNA molto simili all’interno del genoma, come ad esempio nel caso si voglia eliminare una mutazione interessante una singola base che è tossica per una cellula e causa una malattia genetica, lasciando però intatta l’altra copia sana dello stesso gene (ogni nostra cellula possiede infatti due copie di ogni gene, ereditate dai nostri genitori).
In conclusione, siamo solo all’inizio di una nuova era non solo della medicina, con la lotta a malattie genetiche prima incurabili, ma anche delle biotecnologie industriali, con la creazione di nuovi prodotti agro-alimentari diversi dagli OGM che tutti conoscono. evoCas9 dà il suo contributo a questa rivoluzione rendendo possibile il suo utilizzo laddove la precisione deve essere assoluta, come nel caso del DNA umano.