La vita si basa sull’utilizzo e sul mantenimento di una memoria genetica, ereditata dalla generazione precedente, che permette di vivere e riprodursi, e sulla capacità di trasmetterla alla generazione successiva.
Il mantenimento della memoria non è affidabile al 100%: la vita “può e deve commettere errori” per garantire l’evoluzione e l’adattamento dei viventi alle variazioni delle condizioni ambientali. Le differenze genetiche emergono come mutazioni rare e, nelle generazioni successive, si distribuiscono in un numero sempre maggiore di individui. Se vantaggiose, le mutazioni possono diffondersi negli individui, perché i portatori generano più figli rispetto a coloro che ne sono privi.
Da pochi anni siamo in grado di conoscere con grande precisione le informazioni genetiche delle specie, cioè sappiamo leggere i “libri genetici” che corrispondono alle differenti forme di viventi.
Il genoma umano come un software
Il libro genetico della nostra specie, il genoma umano, è stato reso pubblico il 26 giugno del 2000, ma abbiamo ancora da lavorare molto per comprenderne pienamente il significato. Infatti, una delle principali sfide scientifiche di oggi è capire come funzionano le istruzioni che costruiscono e dispongono nelle tre dimensioni spaziali i miliardi di cellule del corpo umano. Queste istruzioni devono essere molto precise, visto che riescono a produrre naturalmente due cloni umani spesso indistinguibili, i gemelli monozigoti. Questi gemelli, a differenza dei dizigoti (semplici fratelli sincroni), hanno lo stesso genoma, lo stesso DNA ereditato dai due genitori. In pratica, i gemelli monozigoti sono fatti da tantissimi tipi di cellule (cellule ossee, cartilaginee, muscolari, cerebrali, etc.) che crescendo e dividendosi per mitosi durante lo sviluppo embrionale, infantile e adolescenziale, raggiungono la ragguardevole cifra di miliardi, disponendosi precisamente nello spazio allo stesso modo nei due gemelli, come se fossero coordinati da una mano esterna di un maestro scultore.
Il genoma è come un programma informatico per una stampante tridimensionale che riesce a produrre due volte la stessa identica statuina in plastica. Nel caso dei gemelli, però, il software funziona dall’interno delle particelle, le cellule, che si moltiplicano in numero enorme e vanno a costruire il corpo finale con grandissima precisione anche geometrica. E’ importante ricordare che il genoma è presente in due copie quasi identiche in ciascuna nostra cellula, quindi abbiamo in realtà due genomi, uno paterno ed uno materno, che collaborano o si sovrappongono nelle varie funzioni svolte dalle varie cellule e dai vari tessuti. E’ solo per semplicità che si parla di unico genoma umano.
Abbiamo scoperto quindi che la vita si basa su un filo, una sequenza lineare di molecole di DNA (polimeri di nucleotidi a due filamenti; polimero = ripetizione di subunità chiamate monomeri) e di proteine (polimeri di aminoacidi). Una molecola intermedia lega i due mondi, la molecola messaggero a singolo filamento, fatta di RNA. Questa molecola, detta RNA messaggero, viene prodotta usando come stampo di riferimento un qualsiasi gene, ad opera dell’enzima RNA polimerasi (i 4 nucleotidi del RNA sono chimicamente quasi identici a quelli del DNA). Anche questo enzima è una proteina prodotta a partire da un gene. Sia la duplicazione del DNA a partire di ciascun filamento singolo (ad opera della DNA polimerasi), sia la sintesi di RNA si basano sul meccanismo di stampo di riferimento, il DNA, e sulle proprietà chimiche dei quattro nucleotidi (indicati con quattro lettere: A, T, G e C) che sono capaci di appaiarsi a due a due secondo regole fisse e precise (semplificando, A si appaia con T e G con C).
Mentre il DNA e l’RNA hanno strutture tridimensionali in genere semplici, ripetitive e un po’ noiose, le proteine hanno esplorato nel corso dell’evoluzione una diversità strutturale nelle tre dimensioni molto elevata, inventando una serie di funzioni cellulari dalle più fondamentali (replicazione del DNA, espressione dei geni, divisione cellulare, sintesi di molecole mediante enzimi, disassemblaggio di molecole mediante altri tipi di enzimi, estrazione e trasformazione di energia, etc.), a funzioni estremamente specializzate. Ad esempio, esistono cellule, i neuroni, che producono segnali elettrici, li trasformano in segnali chimici e li ri-trasformano in elettrici. Anche grazie a queste funzioni neuronali, biochimiche ed elettrofisiologiche, sto pensando quanto sto scrivendo. La trasformazione dei segnali elettrici in contrazioni muscolari fa sì che le cellule delle dita con cui sto scrivendo premano in punti specifici sulla tastiera del mio computer.
Cellule con lo stesso genoma appartenenti al medesimo individuo si specializzano esprimendo gruppi di geni differenti e quindi di proteine. Di recente è stato calcolato, studiando il lievito (che è un organismo unicellulare eucariotico, usato per produrre pane e birra), che ogni sua cellula ha quantitativamente 42 milioni di molecole proteiche che sono però di soli 6000 differenti tipi prodotti da 6000 geni. Le nostre cellule hanno una quantità simile di proteine, ma una tipologia di almeno 12.000 proteine per ciascuna delle cellule specializzate, quindi appena doppia. Abbiamo potuto calcolare il numero totale di differenti proteine di una specie (prodotte in tutte le varie cellule specializzate, se pluricellulare) analizzando le sequenze del genoma (genomica), degli RNA messaggeri (trascrittomica) e delle proteine (proteomica), quindi grazie alle innovative tecnologie scientifiche sviluppate dopo decenni di ricerca sia pubblica che privata.
Chiarita la natura chimica della vita, nei decenni passati abbiamo inventato reazioni chimiche e tecnologie che ci permettono di produrre in vitro nuove sequenze di DNA, RNA e di proteine non conosciute in Natura, usando semplicemente nuove combinazioni dei rispettivi monomeri di base (nucleotidi ed amminoacidi). Possiamo poi verificare in vivo nelle cellule se queste nuove sequenze molecolari abbiano effetti o meno. Abbiamo scoperto che isolando alcune proteine dalle cellule, esse continuano a funzionare come se fossero ancora nella cellula viva e sono utili oggetti molecolari che ci permettono, ad esempio, di produrre in provetta tanto DNA a partire da poche molecole, oppure una proteina a partire da uno specifico gene.
Il sequenziamento del DNA
Le tecnologie di nuova generazione di sequenziamento del DNA hanno reso possibile ricostruire in poco tempo e a basso costo la successione (sequenza) dei 3.2 miliardi di nucleotidi contenuti nelle 23 molecole del DNA che compongono il nostro genoma. Queste 23 molecole sono contenute in 23 cromosomi, vere e proprie valigie della nostra informazione genetica. E, come già detto in precedenza, abbiamo due copie di ciascuna valigia, una di origine paterna ed una di origine materna: 46 cromosomi in ciascuna cellula. Quindi, tutte le cellule del nostro corpo possono contare su un doppio genoma umano per funzionare, genoma che ci rende unici. E il giorno in cui volessimo avere figli, le cellule specializzate per la riproduzione ci consentirebbero di realizzare questo desiderio. Queste cellule, spermatozoi e cellule uovo, hanno una caratteristica che le distingue da tutte le altre: contengono 23 cromosomi, esattamente la metà dei 46 che si trovano in tutte le altre cellule, una copia di ciascuna coppia di cromosomi. In questo modo, doneremo ai nostri figli un solo genoma, con nuove combinazioni dei nostri cromosomi paterni e materni, perché liberi di combinarsi durante il processo di meiosi (divisione cellulare con dimezzamento dei cromosomi). L’unione di uno spermatozoo e di una cellula uovo, contenenti 23 cromosomi ciascuno, forma una cellula (zigote) che contiene nuovamente 46 cromosomi e dalla quale si svilupperà il nuovo organismo.
Nel genoma umano ci sono circa 25.000 geni (posizionati sui 23 cromosomi), anche essi fatti di sequenze lineari (di lunghezza molto variabile) di nucleotidi. Ad oggi, sono oltre 10.000 i singoli individui umani di cui sono stati “sequenziati” i genomi. Grazie alla sempre maggiore quantità di dati “genomici” disponibile, possiamo studiare la variabilità genetica che ci rende differenti, unici, e quella che fa funzionare male le cellule, i tessuti e l’organismo, ed è oggetto di studio della genetica delle malattie ereditarie. Ad esempio, sappiamo che i genomi umani differiscono in media di 1 nucleotide ogni 1000, quindi di 3 milioni di nucleotidi per i 3 miliardi del nostro genoma (99,9% di identità, 0,1% di differenza nucleotidica). Se confrontiamo un genoma umano con quello di uno di scimpanzé, che ha un genoma di grandezza molto simile, si passa a 30 milioni di nucleotidi di differenza per i 3 miliardi dei loro genomi, quindi 10 volte di più della differenza tra due umani. Quindi i genomi umani e di scimpanzé hanno il 99% della sequenza nucleotidica identica e solo l’1% differente.
Possiamo cercare nel “libro genetico” (genoma) della specie, chiedendoci se le varie copie genomiche che rappresentano individui differenti hanno mutazioni significative e potenzialmente dannose. Cercare una parola in un libro e trovarne la ricorrenza o la sua unicità prenderebbe tanto tempo quanto ce ne vuole a leggerlo. Con l’invenzione del computer e della possibilità di digitalizzare i testi, oggi possiamo cercare facilmente e velocemente parole ed eventuali errori in un testo, che è diventato uno spazio virtuale, rispetto alla sua copia originaria e farne un editing, cioè una correzione.
Fatto ciò, possiamo poi ristampare il testo e renderlo un concreto e reale libro (corretto). Con i genomi possiamo fare cose simili:
- ottenere una sequenza di milioni o miliardi di nucleotidi che digitalizziamo in un computer, come banca dati;
- cercare sequenze specifiche che possono corrispondere ad un gene e quindi traducibili in una proteina;
- controllare se quel gene ha mutazioni che possono danneggiare l’organismo;
- cambiare la sequenza del gene correggendolo grazie ad esempio alla CRISPR/Cas9 (che taglia il DNA in punti specifici, come le forbici), se è nostra intenzione curare una malattia genetica di un essere umano o di un animale domestico;
- se studiamo la genetica in laboratorio con modelli animali (topi, vermi o mosche) o vegetali (un’erbetta come la Arabidopsis), possiamo invece introdurre mutazioni in geni specifici con la Cas9 e vederne gli effetti anche nella generazione successiva (genetica funzionale).
I passi 1, 2 e 3 si conducono in vitro, fuori dalla cellula; i passi 4 e 5 invece si conducono in vivo, introducendo la proteina Cas9 legata ad una molecola di RNA artificiale detto guida (ed una breve molecola di DNA artificiale di riferimento contenente parte del gene corretto) nelle cellule vive. La correzione avviene grazie alle capacità di riparazione del DNA delle cellule stesse. Gli enzimi dedicati a questo meccanismo si legano al punto di rottura del DNA, separarono i due filamenti del DNA genico, usano come riferimento il DNA artificiale (detto omologo perché identico come sequenza al gene endogeno da riparare) anch’esso separato nei due filamenti, che si appaiano ai due filamenti gene bersaglio, rinsaldano i pezzi spezzati del DNA introducendo la medesima sequenza nucleotidica fornita dal DNA artificiale, quindi “curata” e quindi normale. La informazione della sequenza genica normale da usare viene fornita dalle banche dati dei progetti sul genoma umano e dagli studi di genetica.
Da un lato, abbiamo oggi raggiunto livelli di sviluppo scientifico-tecnologico ed economico impensabili un secolo fa. Ad esempio: 1) viaggi nello spazio, 2) telescopi spaziali che ci hanno fatto conoscere l’universo e le sue galassie in modo nuovo, 3) scoperte della fisica della materia e dell’energia, 4) la decifrazione del codice della vita (5) sviluppo di organismi geneticamente modificati che migliorano la produttività di cibo vegetale, proteggono le piante da insetti senza uso di pesticidi, proteggono le città da zanzare che trasmettono gravi malattie debilitanti o mortali (zika, virus del Nilo, febbre gialla, dengue, malaria, etc.), 6) dopo due guerre mondiali, abbiamo avuto quasi 70 anni di pace mondiale con poche guerre, solo locali; 7) nello stesso periodo di tempo, la crescita economica e le nuove politiche in molte zone del pianeta hanno fatto sì che la popolazione mondiale che viveva in condizioni di estrema povertà si riducesse dal 75% a meno 10% di oggi; 8) diritto di voto per le donne, 8) sviluppo di energia nucleare e poi di energie green alternative; 9) viaggi nello spazio; 10) sviluppo dei computer, e impatto a livello mondiale, 11) internet, 12) smartphone e video-comunicazioni; 13) aspettativa di vita estesa; 14) miglioramento di istruzione e alimentazione, 15) trasporti aerei economici.
Teorie complottiste, istruzione e democrazia
Dall’altro lato, abbiamo grandi fette delle società dei paesi più avanzati economicamente che stanno reagendo in modo sorprendentemente strano e superficiale alla pandemia, usando internet e i social network per rinchiudersi in circoli di comunicazione difensivi, nei quali sostengono le più improbabili teorie complottiste. Questi gruppi sembrano avere tratti psico-sociali di sette religiose. In particolare negli USA, dove la società ha affrontato un duro scontro elettorale tra due candidati alla presidenza, si sta assistendo ad una vera e propria crisi della democrazia a causa delle fake news spesso collegate con teorie complottiste: è inutile dire che la democrazia è un sistema alimentato da una informazione di qualità e non dalle sole opinioni spesso affrettate e superficiali. La democrazia non può essere come fare il tifo per una squadra o per un’altra. Se le persone non hanno le informazioni giuste è difficile per loro fare una scelta corretta, sia in politica come nella vita. E una scelta corretta è basata su informazioni di qualità, basate su fatti e dati. La disciplina che più si dedica alla ricerca di fatti e dati reali è la Scienza, perché usa metodi e tecniche scientifiche ripetibili e condivise da scienziati che in tutto il mondo possono ripetere quell’esperimento e confermarne le conclusioni.
È interessante notare (e non sorprende) che uno studio per sondaggio del Pew Research Center in USA, ha mostrato che il livello di istruzione è correlato in modo inverso con la tendenza di un individuo a credere che la pandemia da COVID-19 sia stata pianificata. Mediamente il 25% degli statunitensi crede che ci sia del vero nelle teorie del COVID-19 come pandemia pianificata che passa al 48% per le persone che non hanno fatto studi universitari. In Italia, Francia e Spagna, circolano 3 teorie cospirazioniste: 1) il virus ha avuto origine artificiale, o accidentale o intenzionale; 2) esiste una cura contro il coronavirus che in pochi conoscono ed usano; 3) la pandemia è stata usata come arma di distrazione mondiale per fare altre cose mentre nessuno se ne accorge. Ad aprile 2020 durante il lockdown, un sondaggio del CNR ha rilevato che in Italia “circa 4 soggetti su 10 ritengono che il web offra ciò che i notiziari nascondono deliberatamente; lo pensano prevalentemente i maschi (45% contro il 37% delle donne) e le persone con titolo di studio medio-basso (42% contro 32%)”. Altro movimento anti-scientifico è quello dei NO-VAX che temono i vaccini come causa di malattie quali l’autismo nei bambini. In questo periodo autunnale-invernale è auspicabile invece che molti, se non tutti, facciano il vaccino anti-influenzale per proteggersi dalla normale influenza e non confonderla con i sintomi del covid-19 per non sovraccaricare gli ospedali inutilmente. Inoltre, anche la normale influenza può avere effetti molto seri soprattutto negli anziani, quindi in tal caso il vaccino va fatto comunque. Quando si avrà il vaccino per il virus Sars-coV-2, quanti lo faranno?
In conclusione
Ecco quindi che questa pandemia ha svelato un problema serio di scala mondiale che riguarda le radici della democrazia, il senso di responsabilità nei confronti di se stessi e degli altri, il valore della cultura, della scienza e della politica ed il senso della nostra vita. Un’occasione questa per fare un editing personale e migliorarsi come soggetto sociale, etico e politico, oltre che umano, e poi poter prendere ben presto importanti decisioni sull’editing genetico, ma solo dopo aver conosciuto anche la scienza che c’è dietro e iniziare a praticare la biodemocrazia, cioè l’accesso democratico alla istruzione-formazione long-life-learning sulle nuove tecnologie e le recentissime conoscenze di Biologia con alto impatto sociale ed economico.
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Ringraziamenti e risorse per approfondimenti:
L’autore ringrazia i professori di Genetica Luciano Gaudio e Serena Aceto del medesimo Ateneo per le utili discussioni, i suggerimenti e l’editing del testo.
Per approfondire la disciplina della Genetica si può accedere anche gratuitamente al corso dell’autore su piattaforma EdX in collaborazione con FedericaX
