Astrobiologia

Riparare il DNA a bordo della Stazione Spaziale

Al di fuori della magnetosfera, le radiazioni ionizzanti provenienti dal cosmo rappresentato un grosso rischio per la salute degli astronauti. Queste radiazioni ad alta energia sono in grado di danneggiare il DNA umano, inducendo il cancro o sindromi neurodegenerative. Un recente esperimento su una specie di lieviti ha mostrato l’efficacia della tecnologia CRISPR/Cas9 nel processo di riparazione molecolare del materiale genetico compromesso in condizioni di microgravità.

Una forma di lesione genomica tra le più gravi dovuta all’incidenza di radiazioni ionizzanti al di fuori dell’atmosfera terrestre, si manifesta nella rottura di entrambi i filamenti di DNA (DSB, Double Strand Break), in cui la doppia elica subisce idrolisi delle basi azotate. In tal caso, i meccanismi molecolari di riparazione attuati dall’organismo in fase di duplicazione cellulare possono essere di due tipi: per ricombinazione omologa (HR, Homologous Recombination) o per saldatura delle estremità non omologhe (NHEJ, Non-Homologous End Joining). Mentre nel caso della ricombinazione omologa il processo di riparazione utilizza una sequenza omologa di DNA come stampo, lasciando inalterata la sequenza originale, la saldatura delle estremità non omologhe agisce unendo direttamente le estremità rotte, spesso modificando la successione di basi iniziale. Ciò può comportare l’insorgenza di tumori o altre malattie degenerative. Nello spazio, in condizioni di microgravità, la scelta del meccanismo di riparazione può essere difficoltosa e ciò espone gli astronauti a un rischio ancora maggiore.

La riparazione del DNA nella microgravità

Finora la sperimentazione si era basata sull’induzione della rottura dei filamenti di DNA sulla Terra, a causa di limitazioni tecnologiche e di problemi di sicurezza. Solo successivamente, il complesso biologico veniva inviato nello spazio per verificare i meccanismi di scelta dei processi di riparazione in condizioni di microgravità. Tuttavia, la necessità di identificare il sito di rottura e di intervenire in loco assemblando i fattori di riparazione in tempi relativamente rapidi, abbassa le possibilità di riuscita di una sperimentazione a metà tra Terra e spazio.

Il team di Sarah Stahl-Rommel di Genes in Space, la competizione scientifica che mette alla prova gli studenti nella programmazione di esperimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale, ha raccolto la sfida: una sperimentazione di genome editing mediato dalla tecnologia CRISPR/Cas9 in condizioni di microgravità a bordo del National Laboratory della Stazione Spaziale. I risultati dell’esperimento sono stati presentati su Plos One, noto giornale open-access, il 30 Giugno 2021. Il processo sperimentale realizzato induce in microgravità una modifica nel genoma di un lievito, il Saccharomyces cerevisiae, con la mediazione del complesso CRISPR/Cas9. La sperimentazione CRISPR su lievito offre generalmente molti vantaggi, in quanto fa uso di un organismo sperimentale in rapida crescita con fenotipi mutanti facilmente identificabili e incorpora una configurazione semplice e relativamente economica.

Genes in Space Announces 2017 Finalists
Il logo della competizione Genes in Space

L’enzima nucleasi Cas9 è diretto da un RNA guida ingegnerizzato a riconoscere e creare una rottura dei filamenti di DNA a un sito specifico nel genoma. Successivi meccanismi di riparazione del DNA apportano modifiche alla sequenza di basi nel sito della rottura: la saldatura delle estremità non omologhe può introdurre inserzioni o delezioni casuali nel sito di rottura, mentre la ricombinazione omologa può essere sfruttato per apportare modifiche specifiche alla sequenza del DNA attraverso un modello stampo di riparazione ingegnerizzato.

Saccharomyces cerevisiae – scheda micologica ed approfondimenti
Saccharomyces cerevisiae. Credits: microbiologiaitalia.it

I vantaggi della CRISPR/Cas9 nello spazio

I vantaggi dell’utilizzo del complesso CRISPR/Cas9 nello spazio sono evidenti. Innanzitutto una maggiore sicurezza, essendo evitato l’uso di radiazioni ionizzanti pericolose durante una missione spaziale. Inoltre, poiché la rottura dei filamenti di DNA viene generata in un punto preciso del genoma, qualsiasi modifica della sequenza del DNA dopo la riparazione può essere facilmente individuata e rintracciata utilizzando metodi precedentemente convalidati sull’ISS, vale a dire la reazione a catena della polimerasi (PCR) e il sequenziamento del DNA.

Genes in Space Experiment Successfully Uses CRISPR-Cas9 Technology to Edit  DNA
L’astronauta Nick Hague mentre lavora a Genes in Space sulla Stazione Spaziale. Credits: Nasa

L’implementazione di queste tecniche rappresenta un’espansione significativa del toolkit di biologia molecolare a bordo della Stazione Spaziale e getta le basi per futuri esperimenti con l’obiettivo di affrontare una vasta gamma di questioni e di esigenze pratiche relative all’investigazione e alla colonizzazione dello spazio. Pare indubbiamente raggiunto l’obiettivo del contest Genes in Space di suscitare l’interesse per le materie scientifiche e ingegneristiche, stimolando gli studenti a condurre ricerche pionieristiche sul DNA che affrontino le sfide reali dell’esplorazione spaziale.

Come funziona la CRISPR/Cas9?

Il sistema CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) si ispira al metodo difensivo attuato dai batteri per difendersi dai loro predatori naturali, i virus batteriofagi. Il complesso CRISPR/Cas9 in dotazione nella cassetta degli attrezzi della cellula batterica è in grado di intercettare in tempi molto rapidi il materiale genetico esogeno, in caso di infezione virale.

Il primo step prevede l’elaborazione da parte del sistema CRISPR di una replica esatta del DNA virale, sotto forma di filamento di RNA: questo tratto genomico viene preso come stampo e condotto in giro per la cellula dall’enzima Cas9 alla ricerca di tratti complementari, evidentemente esogeni, con l’obiettivo di annientarli. Quando il riconoscimento avviene, la proteina Cas9, esattamente come una forbice, si attiva tagliando il frammento estraneo, disattivando a tutti gli effetti l’invasore. La strategia permette inoltre alla cellula batterica di mantenere la memoria delle informazioni acquisite, rendendola immune da attacchi futuri dello stesso virus.

CRISPR Gene Editing Technology - How it Works, Uses & Limitations
Un’infografica che illustra il funzionamento della tecnica CRISPR

Gli scienziati hanno riconosciuto il potenziale esplosivo di questa tecnica naturale nella terapia genica: programmare CRISPR/Cas9 al riconoscimento di particolari sequenze di DNA all’interno di una cellula potrebbe significare tagliare puntualmente tratti di genoma che codificano per malattie genetiche, di fatto eliminandole. La sperimentazione ha già dimostrato la possibilità di utilizzare questa strategia genica per rimuovere virus come l’HIV o addirittura modificare i geni a livello embrionale. Tuttavia, molti ricercatori mettono in guardia: possibile una resistenza anticorpale a CRISPR/Cas9 da parte dell’organismo umano, che annullerebbe a monte la sua missione.

La comunità resta divisa riguardo l’applicabilità medica di CRISPR. Il problema etico della manipolazione genetica rimane, lasciando aperto l’eterno dibattito sulla liceità di modificare artificialmente la natura umana.

Fonti: Esa, PloSone, Nasa, Science Daily, Genes in Space, ISS National Lab, Impactscool, Steemit, Microbiologia Itaia

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: