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Una nuova tecnologia abbassa ancora i costi del sequenziamento genomico. Stavolta l’annuncio arriva da Boston, dove il fisico David Weitz (foto) ha annunciato che la sua azienda GnuBio metterà in vendita la nuova tecnologia a breve. Si tratta di un metodo a microfluidi, che usa cioè gocce microscopiche di acqua che vengono usate dalla macchina come se fossero piccolissime provette. Prima nelle gocce vengono iniettati brevi pezzi di DNA conosciuti e identificati tramite un colore. Poi nella stessa goccia si ineitta una sequenza sconosciuta. Se le due sequenze sono complementari si legano l’una all’altra dando origine a un cambio di coloro. Le gocce vengono così analizzate da un apposito chip e catalogate.

Ovviamente questo meccanismo va ripetuto migliaia e migliaia di volte per poter studiare una sequenza di DNA più lunga. ma questo non sembra essere un problema: le dimensioni così ridotte del campione (le microgocce) fanno sì che anche i reagenti, i composti chimici usati si riducano tantissimo. E le tecnologie attuali permettono di analizzare un milione di gocce al secondo. E questo è uno dei motivi per cui, secondo Weitz, questa tecnologia permetterà di arrivare a un costo di soli 30$ per sequenziare un intero genoma umano. Solo due anni fa, l’annuncio di costi attorno ai 1.000$ era parso straordinario.

La macchina prodotta da GnuBio verrà messa in commercio alla fine dell’anno e costerà solo 45.000$, decisamente meno di quelle prodotte dai suoi concorrenti.

Il genoma umano compie dieci anni. Fu infatti nella primavera del 2000 che il primo ministro britannico Tony Blair e il presidente degli Stati Uniti Bill Clinton, in una conferenza stampa congiunta, annunciarono la prima mappatura completa del dna umano. A quel risultato si era arrivati dopo anni di lavoro.

Lanciato ufficialmente nel 1990 sotto la guida di James Watson prima e di Francis Collins poi, il Progetto Genoma Umano era in realtà cominciato almeno cinque anni prima. A metà del lavoro la Celera Genomics di Craig Venter entrò in gara con il consorzio pubblico con la sua tecnica di sequenziamento velocissima. Con la sua pubblicazione scoprimmo che gli esseri umani hanno circa 24.000 geni (molto meno del previsto) e che le razze umane non esistono nemmeno dal punto di vista genetico (i diversi gruppi umani sono al 99,9% uguali tra loro).

Il decennale è ricordato da un numero speciale di Nature che contiene diversi articoli e interventi sulla storia e sul futuro del genoma. Il Progetto Genoma Umano, uno dei maggiori sforzi che la «big science» ricordi, ha dato il via a diverse innovazioni sia tecnologiche sia scientifiche. Dieci anni fa sarebbe stato impensabile raggiungere la velocità di sequenziamento di codice genetico che abbiamo oggi (e che promette di crescere ancora). Oggi possiamo sequenziare il dna di un batterio o di un organismo superiore in tempi molto ridotti, mentre prima della rivoluzione del genoma si trattava di sforzi titanici e lunghissimi.

E poi lo studio del dna ha aperto nuove possibilità applicative. Per esempio la genomica personalizzata, che suscita molte critiche ma è da molti ritenuta un campo di sviluppo in campo medico molto promettente. A ognuno il suo genoma, perlomeno tra qualche anno? Nel frattempo sono diventati più comuni e meno costosi i test per la ricerca di geni responsabili della maggiore o minore predisposizione ad alcune patologie. Inoltre sono aumentate le applicazioni in criminologia (il famoso tes del dna), e in archeologia permettendoci di scoprire molte cose sui nostri antenati.

Con il genoma umano sono arrivati anche critiche e problemi di tipo legale, come quello relativo ai brevetti sulle sequenze genetiche. E poi per ora quello genetico resta “un testo antico” di cui cui conosciamo l’alfabeto ma non la lingua. Riconosciamo alcuni geni, conosciamo il ruolo di altri, ma ci vorrà ancora molto tempo per capire il significato complessivo del nostro genoma.

Per approfondire la storia del genoma umano puoi leggere il libro La scala di Giacobbe. Se invece vuoi leggere una voce critica contro il determinismo genetico, cioè l’idea che i geni siano responsabili di tutto, puoi leggere Il sogno del genoma umano del famoso biologo Richard Lewontin.

Foto: Bill Clinton con i direttori del consorzio pubblico, Francis Collins (destra), e della ditta privata Celera Genomics, Craig Venter (sinistra)

Un obiettivo nella vita: riprodursi. Avete poche ore di tempo, dovete raggiungere la vostra femmina e metterla incinta. Ma intorno a voi non ci sono che maschi con lo stesso scopo, agguerriti e determinati. E la femmina è una sola: non ha nessuna intenzione di dare a voi la priorità e, anzi, sembra godersela parecchio. La soluzione? Non fate i Rambo, non affannatevi a colpire i rivali: saranno i vostri spermatozoi a combattere per voi e a debellare tutti i loro numerosi nemici.

Un lungo articolo di Nature è dedicato al maggior istituto per il sequenziamento genomico del mondo: il BGI, o Beijing Genomics Institute. La Cina sta facendo passi da gigante nella scienza mondiale, e sta investendo milioni e milioni di renminbi in ricercatori, centri di eccellenza, istruzione secondaria. Il BGI è uno dei suoi fiori all’occhiello, con 130 bioinformatici (spesso giovanissimi), un totale di 1.500 persone impiegate (in crescita) e un numero impressionante di pubblicazioni di alto livello.

Negli ultimi anni dal BGI sono usciti il genoma del cetriolo, del panda gigante, la prima sequenza completa di un uomo dell’antichità e ora, pubblicato ancora una volta da Nature, un poderoso studio di metagenomica della flora batterica intestinale. Prima aveva sequenziato riso, pollo, baco da seta, un corona virus… L’occupazione principale del BGI è sequenziare il genoma di qualsiasi essere vivente, sempre più velocemente e su scala sempre più massiccia. Tra gli obbiettivi c’è il sequenziamento dei genomi di 10.000 batteri e 1.000 piante e animali per creare un albero della vita basato sul dna.

Ma come? Trasformando la genetica in un’attività industriale. Ultimamente il BGI si è dotato di 128 macchine sequenziatrici Illumina HiSeq 2000, le più veloci del mondo, ognuna delle quali può coprire fino a 25 miliardi di basi al giorno. Quando saranno tutte funzionanti, il BGI sarà in grado di sequenziare 10.000 genomi umani in un anno: un numero sino a ora impensabile.

Ma lo stesso direttore del centro di ricerca, il professor Wang Jun, ammette che il BGI "ha i muscoli ma non il cervello": sequenziare genomi a tutto spiano non basta, senza una visione scientifica di lungo periodo o senza il collegamento con industria farmaceutica, medicina, o altri laboratori di ricerca. Per ora il centro sta cercando di diventare un fornitore di servizi per chi ha bisogno di sequenziamenti. La forza bruta da sola non basta.

La tribù Ju/hoansi, in Namibia, è il più antico gruppo umano conosciuto. Questi cacciatori-raccoglitori, o "bushmen", rappresentano la linea genetica più vecchia tra quelle che compongono il genere umano. Ora ricercatori americani e australiani, appoggiati da diverse aziende che vendono servizi di sequenziamento genetico, hanno sequenziato i genomi di quattro anziani capitribù, di più di ottant’anni, e di un altro anziano bantù (vedi immagine da Nature). Le loro identità sono state tutte rese pubbliche sull’articolo di Nature, la rivista che ha pubblicato lo studio. Il bantù è niente di meno che il famoso arcivescovo e Nobel per la pace Desmond Tutu, che discende dalle etnie Tswana e Nguni.

Tutti i dati genetici e medici dei partecipanti sono stati pubblicati su GenBank, un database ad accesso aperto, e quindi tutti i ricercatori del mondo potranno usarli per i loro studi. Tutu, per esempio, nel corso della sua vita ha avuto poliomielite, cancro alla prostata e tubercolosi, tutte patologie con una componente genetica.

Una delle prima scoperte è che la variabilità genetica tra questi quattro uomini è maggiore di quella media tra un europeo e un asiatico, come sottolineano gli autori dello studio. "Per sapere in che modo i geni influiscono sulla salute, dobbiamo conoscere il range completo della variabilità genetica, e l’Africa del sud è il posto in cui cercarla", ha dichiarato Webb Miller, professore di biologia e informatica alla Penn State University negli Stati Uniti.

Desmond Tutu è l’ultimo personaggio famoso a sottoporsi a sequenziamento del genoma e a rendere pubblici i dati. Nello studio pubblicato da Nature, per esempio, i genomi dei bushmen africani venivano comparati con quello di Craig Venter, il famosissimo biologo che ha partecipato alla gara per il sequenziamento del genoma umano.

Chi è l’architetto più ingegnoso del mondo? L’ingegnere più brillante? E l’inventore più originale del pianeta? Ma certo, è lei: la natura. Allora perché non prenderla a esempio? È la biomimetica: lo studio dei processi biologici allo scopo di copiarli. Perché in natura non esistono sprechi, non esistono scarti e quello che è in giro è sicuramente stato provato e riprovato centinaia di volte. A noi umani, che abbiamo la pretesa di costruire il nostro mondo, può dare sicuramente molte buone idee.

(Credit: Anders Warén, Swedish Museum of Natural History, Stockholm, Sweden)

Per esempio: guardate questa strana lumaca. Ha un’armatura che sembra di cotta di maglia, come quella di un cavaliere medievale, fatta di tre strati sovrapposti. Con questa si protegge dagli attacchi dei granchi, ma anche dagli aumenti di temperatura e dall’acidità dell’acqua nel suo habitat naturale marino, in fondo all’oceano indiano, in corrispondenza delle fessure della crosta terrestre da cui escono gas caldi di origine tettonica. Una vitaccia, quella della lumaca con l’armatura. Così una nuova ricerca americana (pubblicata sulla rivista Pnas) l’ha studiata a fondo, nella sua struttura e composizione, per prendere nuove idee. Si tratta di una struttura a strati, composta anche di solfiti di ferro, composti in modo che nel loro complesso sono almeno cento volte più resistenti della somma delle parti: un sistema originale, duro fuori e morbido dentro come un sandwich, di cui adesso sappiamo tutto. E che cosa ce ne facciamo? Caschi, sistemi di protezione, tutto quello che deve essere resistente ma leggero.

E non finisce qui. Tra i mille esempi di novità della ricerca biomimetica, ci viene incontro una ricerca appena pubblicata su Science: stavolta si tratta di un fungo gelatinoso, il Physarum polycephalum, che potrebbe un giorno trovar lavoro nell’industria delle telecomunicazioni. Sì perché a guardarlo bene non funziona in un modo poi tanto diverso dal sistema ferroviario giapponese. I ricercatori (giapponesi, appunto) hanno preso una cartina di Tokio e dintorni e hanno sistemato sopra un po’ di fiocchi d’avena, in corrispondenza dei centri abitati. Il fungo, posizionato sopra alla rappresentazione del centro di Tokio, ha cominciato a diffondersi in cerca dell’avena disegnando un reticolo simile a quello dei trasporti ferroviari reali. Ed è un organismo unicellulare ameboide. Ma siccome per procurarsi il cibo disegna una rete di connessioni molto efficiente, gli scienziati ne hanno fatto un modello matematico che potrà essere impiegato per la costruzione di altri sistemi di trasporto. A dimostrazione, tra l’altro, che l’impiego dei modelli matematici in biologia può portare a nuovi algoritmi per l’informatica e chissà cos’altro.
 

Fuochi d’artificio su un sito di news scientifiche? Ma no, state tranquilli. E non fatevi ingannare: è una cellula batterica ingegnerizzata per produrre una luce fluorescente a cascata, capace di accendersi e di spengersi a intervalli regolari. La scoperta (o forse è meglio dire l’invenzione) è pubblicata sulla rivista Nature ed è la dimostrazione di come sia possibile produrre orologi genetici, programmati per una trascrizione in proteine che vada a un certo ritmo. Con un sistema così si potranno costruire sensori biologici, spiegano i ricercatori, oppure programmare una cellula per rilasciare un farmaco o un ormone a intervalli regolari.

Nel nostro organismo esistono diverse funzioni cicliche: quelle legate agli ormoni, per esempio, tipo l’insulina e il cortisolo, o quelle dell’alternanza sonno-veglia. Mentre per quanto riguarda i sensori biologici, diventa necessaria la possibilità di accendere e spengere un segnale a seconda di stimoli esterni. E questa cellula artificiale, ottenuta attraverso l’inserimento di due geni nel Dna, è capace di fare l’una e l’altra cosa: ha un clock interno che la fa lampeggiare al ritmo desiderato ed è capace di parlare con le altre simili all’interno di una colonia. In questo modo, per la prima volta, si è riusciti a costruire un apparecchio biologico temporizzato mettendo in sincronia diverse singole cellule. Il prossimo passo sarà fare lo stesso ma con cellule di mammifero. E poi dispositivi oscillanti in grado di produrre insulina, per esempio, per la terapia del diabete.

Per gli scienziati, la presentazione di questa cellula è un ottimo modo per festeggiare i dieci anni della biologia sintetica: un ramo della biologia che si propone di manipolare le forme di vita esistenti o di costruirne di nuove tramite l’ingegneria genetica. Scopo di tutto questo, costruire batteri capaci di digerire l’inquinamento, cellule capaci di produrre farmaci, forme viventi da usare a nostro piacimento nell’ambiente o in medicina.

Le tigrature dei gatti e il mantello dei cani – due fenomeni da studiare analizzando… i geni. Lo hanno fatto due gruppi di ricerca che nelle ultime settimane hanno pubblicato i loro risultati su Genetics e su PNAS.

Il primo ha studiato il mantello dei gatti: perché le striature, le tigrature dei felini seguono degli schemi così precisi e si tramandano generazione dopo generazione? In questo caso, incrociando tra di loro gatti con mantelli differenti e poi studiando non solo come venivano trasmessi queste caratteristiche visibili, ma anche in che modo si tramandavano alcuni particolari geni, i ricercatori hanno scoperto geni coinvolti nel colore e nei pattern del mantello. Per farlo hanno inserito nelle molecole di dna dei marker molecolari che potevano poi essere "tracciati" nella generazione successiva, indicando quale regione del genoma si era modificata. Un risultato che potrebbe essere di aiuto anche per capire meglio l’uomo, per esempio alcune patologie della pelle.

Nel secondo caso invece alcuni biologi hanno studiato le caratteristiche delle diverse razze canine (non solo il mantello) per capire come i geni influenzano le differenze così grandi che ci sono, per esempio, tra un alano e un chihuahua. I ricercatori hanno veramente studiato razze molto diverse tra loro, come sharpei, jack russel terrier, beagle e border collie. Anche loro hanno usato marker molecolari per capire quali regioni del genoma erano coinvolte nei cambiamenti che si verificano quando si passa da una razza all’altra. In tutto hanno trovato 155 posizioni che avevano subito modifiche a causa del processo di selezione genetica, e che erano responsabili per esempio del tipo di mantello o del suo colore. Anche gli studi sul cane sono effettuati con la speranza di avere risultati utili anche per comprendere meglio le caratteristiche genetiche dell’essere umano.

Dopo il sequenziamento del genoma umano avvenuto nel 2003, Francis Collins, allora direttore del National Institutes of Health (ente di ricerca medica statunitense), prospettava un nirvana medico. Secondo Collins grazie allo studio personalizzato del DNA si sarebbe ottenuta una panoramica delle malattie più facilmente riscontrabili, in modo da prevenirle sia dal punto di vista medico che ambientale. La rivista The Scientist propone oggi di fare il punto della situazione della medicina genomica, per valutare se le aspettative sono state soddisfatte.

Il sequenziamento genetico personale è possibile, anche se a costi sicuramente elevati, (10.000 euro per l’analisi e l’interpretazione di tutto il DNA), ma le cose sono più complicate del previsto. Ci sono moltissimi geni che agiscono da soli o insieme per determinare una malattia. In più sono spesso determinanti i fattori esterni per la effettiva insorgenza di una malattia. Si aggiunga a questo che molte patologie sono date dall’interazione di diversi problemi fisici. Ecco perché lo sviluppo della medicina genomica non permette oggi di prevenire la malattia. Sappiamo però che, grazie all’analisi del DNA, è possibile conoscere se esiste una predisposizione familiare a certe malattie, per esempio il tumore al seno, l’amiloidosi, la celiachia e il morbo di Crohn.

Due mamme sono meglio di una. Soprattutto se il papà non c’è. Aspettate: non stiamo parlando di nuove famiglie. Siamo un sito di scienza, no? E allora sappiate che una ricerca giapponese ha dimostrato che i topi di laboratorio nati attraverso la fusione di due cellule uovo (quindi senza una briciola di DNA maschile) vivono il 30% di più dei topi con una mamma e un babbo. Che cosa ce ne facciamo di questa scoperta noi umani, che continuiamo a riprodurci con metodi tradizionali?