GenoMIX #13 – Maggio 2011

Tra le notizie di questo mese, quella per me più importante non è propriamente una notizia, ma piuttosto una ricorrenza. Il 3 Maggio myGenomiX ha infatti festeggiato il suo primo anno di vita. Non avevo mai scritto di scienza prima di questo blog, e devo dire che l’esperienza è stata molto positiva, andando al di là di ogni mia aspettativa. Naturalmente, non ce l’avrei mai fatta da solo: moltissime persone mi hanno aiutato, incoraggiandomi e motivandomi. Trovate tutti i miei ringraziamenti a questo link.

Sempre restando in tema di blog, come ogni mese si è svolta un’edizione del Carnevale della Chimica. Questa volta si parlava di “chimica in cucina”, e poiché il gene della buona cucina non è stato ancora scoperto, ho deciso di partecipare con alcuni articoli di nutrigenetica e nutrigenomica. Ovviamente, vi invito a leggere tutti i contributi inviati da decine e decine di blogger per questo carnevale, che come sempre coinvolge gli autori più brillanti della blogosfera italiana: li trovate tutti sul blog Questione della decisione.

Uno studio pubblicato sul Journal of Human Genetics ha identificato un gene che sembrerebbe determinare in parte il nostro livello di soddisfazione generale verso la vita, una sorta di “gene della felicità”. Il gene suddetto non è nuovo a chi studia la genetica del comportamento: si tratta del recettore per la serotonina (5-HTT), già in precedenza associato ai sintomi depressivi. C’è poi l’interessante scoperta a cui ha partecipato l’italiano Paolo Innocenti, pubblicata sulla rivista Science: secondo la ricerca, condotta sui moscerini della frutta, i geni mitocondriali sarebbero in grado di influire pesantemente sull’espressione dei geni nucleari maschili, a differenza di quelli femminili che invece non ne sarebbero minimamente influenzati. E’ la cosiddetta “maledizione della madre”, conseguenza del fatto che i mitocondri sono ereditati solo per via materna, e si evolvono quindi in modo asimmetrico. Infine – e questa è stata la notizia bomba del mese – sempre Science ha pubblicato uno studio che suggerirebbe la presenza di un’abbondante attività di editing dell’RNA messaggero nelle nostre cellule: se venisse confermata, saremmo di fronte a un nuovo meccanismo di regolazione tutto da scoprire. Per il momento, il lavoro è stato accolto con molto scetticismo e diversi dubbi sulla metodologia utilizzata.

Infine, segnalo a chi non l’avesse ancora letta l’intervista che ho fatto al dott. Filippo Ongaro, medico degli astronauti ed esperto di invecchiamento. Il dott. Ongaro ha presentato il suo ultimo libro sulla nutrigenomica, e ha risposto molto gentilmente alle mie domande sui test genetici, sull’evoluzione della figura del medico e sulla validità di un test genetico per la misurazione dei telomeri, annunciato dall’azienda spagnola Life Length.

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Carnevale della Chimica #5: la chimica in cucina

Dopo due mesi di pausa, torno a partecipare a uno dei più interessanti eventi della blogosfera italiana: il Carnevale della Chimica. In questa edizione (è la quinta) il tema era “La chimica in cucina”. Non ho avuto tempo di scrivere un articolo nuovo di zecca, così ne ho riciclati cinque che avevo scritto in passato, e che parlano di nutrigenetica e nutrigenomica:

I contributi dei blogger italiani sono come sempre tantissimi e di ottimo livello, perciò vi consiglio di andare a visitare il blog Questione della decisione che ha ospitato l’evento: troverete i link ai 51 (!) articoli che sono stati proposti per l’occasione.

GenoMIX #10 – Febbraio 2011

Niente da dire, questo è stato un gran bel mese per il mio blog. E’ iniziato infatti con l’incredibile notizia che myGenomiX aveva raggiunto la terza posizione nella classifica Scienza di Wikio, un risultato che ho accolto con molto piacere e che ho cercato di meritarmi partecipando a ben due Carnevali. Era la prima volta per me in assoluto, e devo dire che mi sono divertito parecchio. Prima c’è stato il Carnevale della Biodiversità, ospitato dal blog Leucophaea, al quale ho contribuito con la curiosa avventura evolutiva delle chiocciole giapponesi. Quindi è stata la volta del Carnevale della Chimica organizzato dal blog Scientificando: in questo caso ho scelto di parlarvi un po’ di come la chimica sia stata fondamentale per la rivoluzione genomica.

Lascio la blogosfera italiana per ricordarvi un altro grandissimo evento, stavolta di portata internazionale, celebrato persino da Nature e Science: proprio nel mese di Febbraio, infatti, si è festeggiato il decennale di due articoli apparsi su queste riviste nel 2001, gli articoli che presentavano ufficialmente i dati del sequenziamento del genoma umano. In questi dieci anni la scienza ha fatto passi da gigante grazie a quello storico risultato. Appoggiandomi alla splendida review firmata da Eric Lander, ho cercato di ripercorrere cosa esattamente abbiamo imparato dal nostro codice genetico.

Ovviamente il sequenziamento di nuovi genomi continua imperterrito: Febbraio è stato il mese della formica, anzi, delle quattro specie di formiche che hanno svelato i segreti del proprio DNA. Dopo i genomi della formica rossa gigante, della formica argentina e della formica di fuoco, pubblicati su PNAS, è stato il turno della formica taglia-foglie Atta cephalotes che su PLoS Genetics ha rivelato di portare nei propri geni le tracce di una grande amicizia, quella con il fungo da essa coltivato.

Infine, gli appassionati di tecnologia avranno seguito con interesse le novità emerse dal meeting AGBT di Marco Island (Florida), che come tutti gli anni fa il punto della situazione per quanto riguarda i nuovi sequenziatori. Continua dunque la caccia al genoma da mille dollari, in una corsa che procede così rapidamente da far impallidire la legge di Moore, il quale – tra l’altro – ha appena avuto il proprio genoma sequenziato da Ion Torrent.

La chimica del sequenziamento: passato, presente e futuro

Come molti di voi sapranno, il 2011 è stato proclamato dall’ONU l’Anno Internazionale della Chimica. La chimica è la scienza centrale, quella che più di ogni altra ha la capacità di guidare il progresso scientifico, grazie alle sue innumerevoli connessioni con la biologia, la fisica, la medicina e chi più ne ha più ne metta. Ho voluto renderle omaggio anche io, scrivendo questo post che partecipa al Carnevale della Chimica coordinato per questo mese da Anna Rita Ruberto di Scientificando.

IL DNA

Il DNA (o acido deossiribonucleico) è una molecola che ha l’aspetto di una doppia elica formata da due catene di nucleotidi. I nucleotidi sono piccole molecole costituite da un gruppo fosfato, uno zucchero (deossiribosio) e una base azotata; mentre le prime due componenti sono sempre uguali e costituiscono l’ossatura della doppia elica, le basi azotate esistono in quattro “versioni” differenti. Esse si chiamano Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) e Timina (T), e godono di una proprietà importante: la complementarietà. In una molecola di DNA, una A si troverà sempre davanti a una T, così come una C si troverà sempre davanti a una G: questo significa che per leggere una sequenza di DNA non è necessario sequenziare entrambi i filamenti, basta avere uno dei due e quello complementare si potrà ricavare facilmente. E’ proprio sfruttando la proprietà della complementarietà che la DNA polimerasi riesce a replicare le molecole di DNA nel momento in cui è necessario, e cioè quando la cellula deve dividersi per generare due cellule figlie con identico patrimonio genetico: utilizzando un filamento come stampo e un piccolo tratto di DNA come innesco, questo enzima è in grado di sintetizzare l’altro filamento legando uno dietro l’altro i nucleotidi corretti.

IL METODO SANGER

A Frederick Sanger bastò osservare la DNA polimerasi all’opera per capire come sviluppare il primo metodo per sequenziare il DNA. L’unico ingrediente che dovette aggiungere furono dei nucleotidi particolari, chiamati dideossinucleotidi: queste molecole hanno una modifica chimica tale per cui, una volta inserite nella catena nascente di DNA, ne interrompono la sintesi. La polimerasi non riesce più ad aggiungere altri nucleotidi, e rilascia così un frammento “monco”. A questo punto bisognava fare due cose: misurare la lunghezza di questo frammento e riconoscere il dideossinucleotide che si era legato per ultimo. Con queste due informazioni in mano leggere la sequenza è immediato: se ho ottenuto un frammento lungo 10 nucleotidi dove l’ultimo nucleotide aggiunto è una G, io so che in 10° posizione c’è una G. Un tempo per fare questo si eseguivano sullo stesso DNA quattro reazioni separate, per ognuna delle quali si utilizzava un dideossinucleotide diverso: ddATP, ddCTP, ddGTP e ddTTP. Al termine della reazione, si prendevano i frammenti generati da ogni reazione e li si misurava mediante un’elettroforesi su gel: in questo gel, le molecole più lunghe si muovono più lentamente e tutti i frammenti possono quindi essere separati. Al termine, si ricostruiva la sequenza. Con l’avvento dei sequenziatori automatici, si è iniziato a fare tutto in un’unica miscela di reazione, etichettando ogni base azotata con una molecola fluorescente di colore diverso; inoltre, i frammenti si separano in tubi capillari, con un lettore ottico che registra il colore emesso dal DNA al suo passaggio.

L’invenzione di questo metodo di sequenziamento ha segnato una svolta epocale nel campo della biologia molecolare e lo dimostra il fatto che Fred Sanger ricevette per questo motivo un premio Nobel per la Chimica nel 1980. Tuttavia, occorre molto tempo per sequenziare in questo modo lunghi tratti di DNA: per leggere un intero genoma umano sarebbero necessari più di tre anni di lavoro! Inoltre, è una tecnica molto costosa: si spendono 10 centesimi di dollaro ogni mille basi. Per questi motivi si è passati ora a tecnologie di sequenziamento molto più efficienti ed economiche, le cosiddette tecnologie di seconda generazione.

MONTAGNE DI DATI

Le nuove macchine iniziarono a popolare il mercato dal 2005 in poi, offrendo costi minori e soprattutto enormi quantità di sequenze, vere e proprie montagne di dati che per un sequenziatore Sanger erano inimmaginabili. A farsi concorrenza c’erano diverse aziende, ma a spuntarla fu Illumina/Solexa, che conquistò rapidamente il ruolo di leader nel settore del sequenziamento genomico. I suoi sequenziatori sfruttavano ancora la DNA polimerasi come nella tecnologia precedente, ma introducevano due accorgimenti tecnici che facevano la differenza. Il primo è l’immobilizzazione del DNA su un supporto fisso: le molecole da sequenziare sono infatti incollate a un vetrino tramite degli adattatori. Questo permette di leggere milioni di frammenti di DNA contemporaneamente, perché ciascuno di essi viene a trovarsi in un punto preciso e non si può confondere con gli altri. La seconda, importantissima novità sono i terminatori reversibili. Nel metodo Sanger i nucleotidi modificati bloccavano la sintesi del DNA in modo irreversibile, mentre quelli di Illumina possono essere riattivati, grazie all’azione di un enzima che taglia via la parte di molecola che blocca il lavoro della DNA polimerasi. In questo modo, è possibile monitorare in tempo reale l’aggiunta di tutti i nucleotidi su ogni frammento, fotografando le fluorescenze emesse a ogni passaggio da tutte le molecole di DNA depositate sul vetrino.

I due grandi rivali di Solexa/Illumina erano, e sono tuttora, ABI/Solid e Roche/454. Le loro tecnologie sono molto diverse, e la prima grossa differenza è che entrambe queste aziende hanno scelto di immobilizzare le molecole di DNA non su un supporto solido, ma su delle piccole sfere, a loro volta poste su un vetrino. ABI/SOLiD ha persino abbandonato la DNA polimerasi per passare a un altro enzima, la DNA ligasi, che unisce frammenti di DNA anziché sintetizzarne di nuovi. Inoltre, ha elaborato un sistema di sequenziamento che consente di leggere due volte lo stesso nucleotide, il che abbassa di molto la possibilità di commettere errori.

Roche/454, dal canto suo, non utilizza più i nucleotidi fluorescenti, ma sfrutta un prodotto di scarto della polimerasi (il pirofosfato inorganico PPi) per generare dei flash di luce ogni volta che un nucleotide nuovo viene aggiunto. Il trucco è dare il PPi in pasto a una sulfurilasi, un enzima che lo utilizza per generare una molecola di ATP; a sua volta, l’ATP viene prelevato da una luciferasi che lo usa per ossidare una luciferina e produrre un segnale luminoso. Poiché questo segnale è sempre uguale per tutti i nucleotidi, essi devono essere immessi nel sistema un tipo alla volta: prima le A, poi le C e così via.

Gli incredibili progressi tecnologici e l’utilizzo di nuove chimiche di sequenziamento hanno permesso di fare grandi scoperte scientifiche sul nostro genoma, scoperte che presto ci saranno utili per avere cure personalizzate in base al nostro profilo genetico. Il bello, però, deve ancora arrivare. E arriverà con i sequenziatori di terza generazione, che pur essendo poco più che prototipi, promettono già grandissime cose.

IL SEQUENZIAMENTO DEL FUTURO

I prossimi anni vedranno sicuramente una nuova rivoluzione nel campo del sequenziamento, ma ancora non è chiaro se a portarla saranno macchine sempre più costose e potenti o piccoli strumenti low-cost grandi come una stampante, capaci di entrare con più facilità nella pratica medica di routine.

La prima strada è quella scelta da Pacific Biosciences, che sta mettendo a punto un sequenziatore mostruoso da 700mila dollari. Il suo punto di forza è essenzialmente uno solo: la capacità di sequenziare singole molecole di DNA. Nelle tecnologie precedenti, infatti, bisognava moltiplicare i frammenti per avere gruppi di molecole tutte uguali da sequenziare: solo così il segnale fluorescente era sufficientemente potente per poter essere visualizzabile dal lettore ottico. Riuscire a leggere una singola molecola di DNA, monitorando in tempo reale l’aggiunta dei nucleotidi, significa poter usare piccole quantità di DNA e risparmiare moltissimi soldi sui reagenti.

Altre due compagnie, invece, hanno deciso di abbandonare del tutto molecole fluorescenti e costosissimi lettori ottici. Ion Torrent ha messo in vendita un sequenziatore piccolissimo, che costa un decimo di quello di Pacific Biosciences: la sua peculiarità è che registra gli inserimenti dei nucleotidi misurando le variazioni di pH durante il sequenziamento.

Oxford Nanopore, al contrario, dice di essere in grado di leggere una sequenza di DNA basandosi sui cambiamenti nel flusso di corrente che attraversa dei fori di pochi nanometri, cambiamenti che sono caratteristici dello specifico nucleotide che viene aggiunto alla catena.

Il costo per sequenziare un genoma umano è diminuito di un milione di volte in dieci anni, e forse presto taglieremo il traguardo dei mille dollari. Arriverà il giorno in cui ci presenteremo dal nostro medico di fiducia con una chiavetta USB contenente i nostri dati genetici: grazie a queste informazioni conosceremo i farmaci più efficaci per noi e lo stile di vita che ci aiuterà a restare sani più a lungo. Non sappiamo quando entreremo veramente nell’era della medicina genomica, ma quando quel momento arriverà, il merito sarà anche degli incredibili progressi fatti negli ultimi anni dalla chimica del sequenziamento, un’altra delle infinite declinazioni della scienza di tutte le scienze, la Scienza Centrale.