La storia di CRISPR ha inizio nella prima metà degli anni ’90, sulla costa meridionale della Spagna.

Ci troviamo ad Alicante, una splendida cittadina della Costa Blanca, incastonata tra le pendici di un monte su cui sorge un castello eretto durante la dominazione cartaginese. L’ampia spiaggia sabbiosa, su cui si affaccia la città, attira numerosi turisti nella stagione estiva, che godono del clima e della varietà di stili architettonici della cittadina.
Storicamente Alicante è anche famosa per le sue saline, edificate sulle paludi di sale circostanti.
 
Francisco Mojica è un giovane ricercatore che ha appena intrapreso i suoi studi di dottorato all’Università locale. Il suo laboratorio si occupa dei microbi che popolano le numerose pozzanghere salate della regione. In particolare, lui sta studiando come la concentrazione di sale modifica l’attività di enzimi che tagliano il DNA del batterio stesso.

Curiosamente, trova che un frammento specifico viene tagliato più spesso degli altri. Questo frammento ha una struttura particolare: le A, T, C, G, l’alfabeto con cui è scritto il DNA, sono disposte in delle sequenze palindromiche che vengono ripetute diverse volte all’interno di questo frammento (per capirci, anche le parole «osso» e «radar» sono palindromiche). Queste sequenze inoltre sono intervallate da altre brevi serie di caratteri che non sono tuttavia uguali tra loro, che chiameremo «sequenze-spazio».

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(Schema del posizionamento di CRISPR sul DNA - di Davide Visintainer)

Il fatto di trovare delle somiglianze così evidenti in organismi evolutivamente molto distanti tra loro, ha decisamente catturato la curiosità di Mojica. In biologia, quando si osserva una caratteristica simile in alcune specie diverse, significa che quella caratteristica costituisce un vantaggio evolutivo, cioè un fattore che ha permesso la sopravvivenza delle specie medesime.

In questo caso, abbiamo un motivo nella sequenza di DNA che è stato selezionato, ed è presente sia nei microbi amanti del sale di Alicante che in Escherichia coli (il batterio più famoso in biologia).
A Francisco dev’essere passata per la testa questa domanda: «Bene, ma a cosa diavolo serve?».
 
Il nostro eroe deve però lasciare le sue amate spiagge soleggiate per trascorrere un periodo di ricerca nella piovosa Oxford, in Inghilterra. Quando torna, ottenendo una cattedra da professore all’Università, non possiede abbastanza fondi per stabilire il suo laboratorio di ricerca. Passa così le giornate su specializzati motori di ricerca che contengono le sequenze di DNA di altri microrganismi, per cercare se altre specie possiedono quegli stessi motivi da lui trovati.

Questi motivi si chiamano CRISPR (se ricordate, il nome che avevamo dato alla nostra tecnologia), e Mojica, all’alba del nuovo millennio, ritrova 20 differenti microbi in cui sono presenti queste sequenze.

A questo punto l’indagine dello scienziato cambia obiettivo: ma le sequenze-spazio, non simili tra loro, che intervallano le sequenze uguali palindromiche, avranno una qualche identità specifica?
Guarda caso, una di queste sequenze-spazio di Escherichia coli viene trovata identica in un virus che infetta proprio quella specie. Tuttavia, quella particolare popolazione di E.coli presa in esame è immune a quel virus. Proseguendo la ricerca, scopre che ben i due terzi di queste sequenze-spazio corrispondono a sequenze trovate in altri virus, infettivi per i batteri, ma a cui quelle specie in particolare erano immuni.
Mojica non crede ai suoi occhi, sembra aver scoperto un indizio di un possibile sistema immunitario adattativo in batteri, fino ad allora nemmeno ipotizzato.

Egli crede infatti che il batterio, in seguito all’infezione, trattenga con sé alcune sequenze di DNA del virus affinché, nella successiva infezione, riconosca il DNA del virus medesimo e sia in grado di operare una risposta per eliminarlo.
Anche noi possediamo un sistema immunitario adattativo che però funziona diversamente, essendo molto più complesso ed evoluto, e ci permette di riconoscere un agente infettivo all’infezione successiva e quindi eliminarlo. In effetti, di morbillo ci si ammala una volta sola.
Chissà perché, nessuna rivista scientifica prestigiosa accetta di pubblicare la sua scoperta, e così Mojica, deluso, si dovrà accontentare di un articolo su un periodico di second’ordine.
 
Ci spostiamo allora in Francia, nel sud di Parigi, dove Gilles Vergnaud dirige un laboratorio di genetica umana, finanziato dal Ministero della Difesa francese. Negli anni ’90, in seguito all’inquietudine diffusa che Saddam Hussein stesse sviluppando delle armi biologiche, l’esercito chiede a Gilles di concentrarsi su nuovi metodi per il rilevamento di batteri letali, come l’antrace e la peste.

Lo scienziato, studiando i genomi della peste, trova dei motivi simili a quelli di Mojica, cioè palindromici ed intervallati da sequenze-spazio differenti. E queste sequenze corrispondono proprio a dei genomi virali, da cui però la peste ne era immune. Anche il ricercatore francese propone quindi che questo CRISPR sia una sorta di “memoria genetica” delle infezioni precedenti, e, tuttavia, trova anche lui molte resistenze nel pubblicare la sua scoperta.
 
Insomma, le evidenze ci sono tutte, mancano però le prove. Non si è ancora capito in che modo queste sequenze-spazio, che contengono l’informazione per riconoscere i virus infettivi, servano in pratica al batterio per sviluppare l’immunità.
Una risposta verrà data qualche anno dopo, nel 2005, da un gruppo di scienziati molto particolare.
 
Uno di loro è Philippe Horvath, un giovane ricercatore fresco di dottorato conseguito all’Università di Strasburgo. Come Mojica, anche Horvath studia dei microbi caratteristici della regione in cui vive, nel suo caso l’Alsazia. E’ un esperto di batteri utilizzati per la fermentazione dei crauti, ingrediente principale della «choucroute garnie», un piatto a base di salsicce e crauti della tradizione locale. Nel 2000 viene così assunto da un’azienda che si occupa di coltivare microbi e lieviti per l’industria alimentare, e in quegli anni, venuto a conoscenza di CRISPR, esplora la possibilità di dimostrarne il suo funzionamento.
Avrà bisogno dell’aiuto di Sylvain Moineau e Rodolphe Barrangou, ricercatori rispettivamente in Canada e Stati Uniti, per raggiungere il suo obiettivo.

Il loro esperimento è semplice. Coltivare un batterio sensibile a determinati virus, infettarlo con questi e poi selezionare i ceppi resistenti, cioè le popolazioni di batteri che hanno sviluppato l’immunità all’infezione.
Quello che ottengono è strabiliante: analizzando il DNA di questi batteri resistenti ritrovano proprio le sequenze-spazio che cercavano, cioè quelle sequenze identiche al DNA dei virus con cui hanno infettato le loro colture in laboratorio.

Scoprono anche che alcuni geni - ovvero le sequenze di DNA in cui sono scritte le istruzioni per costruire le proteine - sono fondamentali per il corretto funzionamento dell’immunità. Che rimane, tuttavia, ancora oscura.
 
Ripercorriamo brevemente i passi compiuti finora: scienziati spagnoli, francesi, canadesi ed americani sono rimasti affascinati da CRISPR e si sono riproposti di conoscerlo meglio. Hanno descritto precisamente le sequenze di DNA che lo compongono, hanno riconosciuto delle somiglianze evidenti tra le sequenze-spazio e delle sequenze presenti in alcuni virus, sono riusciti ad osservare l’incorporamento di queste ultime nei batteri immunizzati ed infine hanno proposto un’ipotesi: CRISPR potrebbe essere un «sistema immunitario adattativo» batterico.
 
Niente male per cominciare, ma ora ci dobbiamo proprio lasciare. Nella puntata seguente racconteremo come CRISPR sia diventata una delle tecnologie più rivoluzionarie delle scienze biologiche.

Alla prossima!

Giovanni Palla

FONTI:

http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(15)01705-5