Gli hacker del genoma

Il nostro DNA, così come quello di tutte le specie viventi, è composto da una lunga catena di mattoncini chiamati nucleotidi. I nucleotidi possono presentarsi in quattro forme all’interno delle nostre cellule: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Ogni singola proteina che fabbrichiamo è codificata nel nostro genoma secondo uno schema che si basa sulle triplette: gli elementi fondamentali delle proteine (gli aminoacidi) sono infatti determinati da specifiche triplette di nucleotidi. Se ad esempio la cellula legge AAA, sa che in quel punto della proteina dovrà inserire una lisina, se legge TTC sa che dovrà inserire una fenilalanina. E’ il famoso codice genetico, il codice che associa a ogni tripletta sul DNA (o codone) uno specifico aminoacido.

Non serve una laurea in statistica per calcolare il numero dei possibili codoni (e quindi il numero di possibili aminoacidi) ottenibili con quattro nucleotidi: sono 4 elevato alla terza, cioè 64.

La cosa interessante è che gli aminoacidi delle nostre cellule, però, non sono 64, ma soltanto 20: il codice genetico è infatti degenerato, esistono cioè più triplette che codificano per lo stesso aminoacido. Ovviamente ci sono delle ragioni evolutive alla base di tutto ciò, ma pensate per un attimo a quante possibili nuove proteine potremmo realizzare avendo a disposizione 64 mattoncini diversi invece che 20!

Deve essere passato un pensiero del genere nella testa di Farren Isaacs e dei suoi colleghi, quando hanno iniziato il lavoro che li ha portati sull’ultimo numero di Science. Gli autori hanno dimostrato di poter sostituire, nel genoma del batterio Escherichia coli, tutti i codoni TAG con un codone sinonimo (TAA). Le due triplette non codificano in realtà per un aminoacido, ma piuttosto per un segnale di stop: quando la cellula li trova, sa che la proteina è terminata. Poiché entrambi i codoni hanno lo stesso significato, i batteri avrebbero dovuto vivere serenamente senza grossi traumi. Ed è proprio ciò che è accaduto.

ResearchBlogging.orgPer arrivare a questo risultato gli scienziati hanno dovuto fare le cose gradualmente, seguendo una procedura laboriosa che combinava due tecniche dall’acronimo simile: MAGE e CAGE. Con la prima, messa a punto dallo stesso gruppo due anni fa, hanno creato 32 ceppi di Escherichia coli che avevano ciascuno un diverso set di codoni mutati, 10 codoni per la precisione. La seconda tecnica ha permesso di mettere insieme tutte le mutazioni, sfruttando il fatto che i batteri possono scambiarsi dei pezzi di DNA (è il fenomeno della coniugazione batterica). La CAGE è una specie di fase eliminatoria nei tornei di calcio: si parte dai sedicesimi di finale (32 ceppi con 10 mutazioni l’uno), si passa agli ottavi (16 ceppi con 20 mutazioni), ai quarti (8 con 40), alle semifinali (4 con 80) e alla finale (2 con 160). Il ceppo “vincitore” si ritroverà quindi con tutti i suoi 314 codoni TAG sostituiti dal codone TAA.

Interessante – direte voi – ma a che serve tutta questa trafila? Tanto per cominciare, serve a far invidia all’altro grande nome della biologia sintetica Craig Venter, che – immagino un po’ stizzito – ha già puntualizzato che “loro i genomi li scrivono da zero”. Battute a parte, le possibili applicazioni di questo lavoro non mancano. La tripletta eliminata dal genoma potrebbe essere utilizzata ad esempio per codificare un aminoacido diverso dai 20 standard: questo favorirebbe la creazione di nuove molecole farmacologicamente attive, appartenenti a classi completamente nuove rispetto ai farmaci a cui siamo abituati. In un lontano futuro, poi, potremmo ad esempio realizzare esseri viventi resistenti ai virus. Quando invadono le cellule, i virus schiavizzano l’ospite costringendolo a lavorare duramente per fabbricare le sue proteine; ma se l’ospite in questione ha imparato un codice genetico diverso, le proteine risultanti saranno tutte sballate e completamente inutili per l’invasore.

Image credit: Harry Campbell

Altri link:


Isaacs, F., Carr, P., Wang, H., Lajoie, M., Sterling, B., Kraal, L., Tolonen, A., Gianoulis, T., Goodman, D., Reppas, N., Emig, C., Bang, D., Hwang, S., Jewett, M., Jacobson, J., & Church, G. (2011). Precise Manipulation of Chromosomes in Vivo Enables Genome-Wide Codon Replacement Science, 333 (6040), 348-353 DOI: 10.1126/science.1205822

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GenoMIX #14 – Giugno 2011

Il mese di Giugno è iniziato con il congresso della Società Europea di Genetica Umana, dove alcuni ricercatori hanno attaccato la genomica DTC dicendo che i test venduti dalle principali compagnie (23andMe e deCODEme) sono sostanzialmente inutili, dal momento che spostano di poco l’asticella del rischio rispetto alla popolazione generale; i risultati sono inoltre incongruenti tra aziende diverse, e non vengono tenuti in considerazione i fattori ambientali. Sempre allo stesso congresso, un altro gruppo di ricerca ha presentato i risultati di un sondaggio, secondo i quali la classe medica europea vorrebbe abolire i test genetici direct-to-consumer. In realtà, né l’una né l’altra sono vere e proprie notizie: sono critiche già sentite più e più volte, non mi fanno più effetto e iniziano anche ad annoiarmi.

C’è stato poi l’allarme Escherichia coli, che ha visto protagonisti gli scienziati del BGI. I ricercatori cinesi hanno sequenziato a tempo record il genoma del batterio killer, condividendo i risultati con centinaia di persone sparse per il mondo attraverso Twitter. E grazie alla diffusione rapida delle informazioni, decine di ricercatori hanno iniziato ad analizzare i loro dati e a fornire di nuovi. Una bella dimostrazione di come i nuovi media possono accelerare la ricerca scientifica in momenti di emergenza come questo.

Benché fossi a Boston e non avessi molto tempo per navigare su internet o per aggiornare il blog, sono venuto comunque a conoscenza di una pubblicazione molto importante firmata da 23andMe. L’azienda californiana di personal genomics ha infatti fatto un sapiente uso dei dati genetici dei propri clienti per individuare nuove varianti associate al Parkinson: in uno studio condotto tutto sul web, i ricercatori hanno messo a confronto 3400 malati con 29000 controlli, scoprendo due SNP legati alla patologia. La bontà del metodo è testimoniata dal fatto che nello stesso lavoro sono state anche confermate venti varianti genetiche già note in precedenza.

Secondo gli scienziati, l’antenato del batterio killer è un ceppo tedesco del 2001

Mentre gli esperti stanno ancora cercando l’origine del ceppo patogeno di Escherichia coli, nei laboratori cinesi del BGI e in quelli di moltissimi altri centri di ricerca sparsi per il mondo continuano incessanti le analisi sul genoma di questo temibile batterio. L’ultimo aggiornamento dell’istituto di genomica cinese riguarda l’identificazione di un ceppo strettamente imparentato con quello di questa epidemia: si tratterebbe di un batterio isolato nel 2001 sempre in Germania. Più ricercatori, in modo del tutto indipendente, sono arrivati a questa conclusione, confrontando i due ceppi tedeschi dal punto di vista genetico. Le analisi effettuate hanno infatti rivelato un’alta similarità in diversi geni, il che fa pensare che questo ceppo particolarmente aggressivo si possa essere evoluto a partire da quello isolato nel 2001. In questi dieci anni, il batterio avrebbe però acquisito nuovi geni di resistenza per diversi antibiotici.

Gli scienziati del BGI hanno realizzato un foglio Excel, liberamente consultabile, che descrive i confronti fatti tra i due ceppi. Nel file è riportato anche un terzo ceppo, isolato in Africa nel 2002, che inizialmente si riteneva essere imparentato con quello odierno; analisi più approfondite hanno però evidenziato differenze sostanziali, non ultima il fatto che il batterio africano non produceva la tossina Shiga.

Se dunque il parente più stretto di questo batterio killer è un Escherichia coli isolato in Germania nel 2001, diventa fondamentale recuperare campioni e dati relativi a quel ceppo per fare confronti più accurati e capire come mai quello di quest’anno sia così aggressivo. Il BGI invita quindi tutti i laboratori del mondo che conservano il ceppo HUSEC041/01-09591 isolato dieci anni fa in Germania a contattare l’istituto cinese a questo indirizzo email: caosujie@genomics.org.cn. Vista la rapidità con cui nuovi gruppi di ricerca si sono aggiunti al lavoro di analisi grazie a Twitter, sono sicuro che gli scienziati cinesi avranno presto i campioni che cercano. A breve avremo quindi i risultati di questi nuovi confronti, che saranno sicuramente utili per capire come fronteggiare l’epidemia. Ricordo che il genoma del batterio killer è accessibile a questo indirizzo, mentre i nuovi dati prodotti dalla comunità scientifica sono raccolti su Github.

Fonte: New clues found in tracing the origin of the deadly E coli strain and an appeal for the sharing of additional data

Batterio killer, continuano le analisi: potrebbe essere resistente a 8 antibiotici

Si continua a lavorare senza sosta nei laboratori dell’istituto di genomica BGI di Shenzen. I bioinformatici cinesi hanno reso disponibile una nuova versione del genoma del ceppo di Escherichia coli patogeno che sta colpendo l’Europa e in particolare il Nord della Germania. Come di consuetudine, il genoma è stato sequenziato in piccoli pezzi che poi sono stati assemblati. Inizialmente è stato fatto un assemblaggio de novo, utilizzando cioè soltanto le sequenze del batterio killer; poi, è stato rifinito impiegando anche sequenze genomiche di altri ceppi, in modo da facilitare la ricostruzione della sequenza completa.

Grazie a Twitter, decine di ricercatori in tutto il mondo hanno utilizzato i dati prodotti dall’istituto cinese, rianalizzandoli e proponendo assemblaggi diversi che possono essere visualizzati e confrontati seguendo questo link. Nel frattempo, al BGI hanno proseguito le analisi scoprendo che il ceppo in questione porterebbe dei geni di resistenza a cinque tipi di antibiotici, oltre ai tre già identificati inizialmente. E’ bene comunque ricordare che si tratta ancora di dati preliminari.

Secondo il blog Mike The Mad Biologist, questo ceppo non sarebbe completamente nuovo come annunciato in precedenza: analisi comparative avrebbe rivelato una notevole somiglianza con un ceppo europeo del 2001. Intanto, le analisi proseguono. Per gli aggiornamenti, l’account Twitter di riferimento è sempre quello ufficiale del BGI: @BGI_Events.

Fonte: Further analysis on improved genome assembly indicates the outbreak E. Coli has complex genetics with resistance to at least 8 antibiotics

Sequenziato il genoma del batterio killer

L’istituto di genomica cinese BGI ha annunciato di aver sequenziato il genoma del ceppo patogeno di Escherichia coli che sta terrorizzando l’Europa. Il sequenziamento è avvenuto in tre giorni di lavoro, utilizzando la tecnologia di terza generazione di Ion Torrent, e i dati sono disponibili per il download a questo indirizzo FTP. Al sequenziamento hanno partecipato anche i ricercatori dell’University Medical Center Hamburg-Eppendorf di Amburgo.

In base alle prime analisi, il genoma del batterio killer risulta essere lungo 5,2 milioni di paia di basi. Si tratterebbe di un sierotipo EHEC O104 nuovo, mai coinvolto in precedenti epidemie di E. coli. Analisi comparative hanno rivelato una similarità di sequenza pari al 93% con il sierotipo EAEC 55989 isolato nella Repubblica Centrafricana e noto per essere causa di una grave forma di diarrea. Il nuovo ceppo di E. coli avrebbe acquisito, probabilmente tramite trasferimento orizzontale, delle mutazioni simili a quelle della colite emorragica e della sindrome emolitico-uremica. Le analisi hanno inoltre mostrato che questo ceppo possiede geni di resistenza a diversi antibiotici (amminoglicosidi, macrolidi e beta-lattamici).

Gli scienziati del BGI proseguiranno il lavoro studiando meglio i geni della virulenza, i loro profili di espressione e la resistenza ai farmaci. Si sta inoltre lavorando per sviluppare un kit diagnostico che possa essere utile per arginare la diffusione dell’epidemia. Per ricevere in tempo reale gli aggiornamenti sulle analisi, seguite l’account Twitter @BGI_events.

Fonte: BGI Sequences Genome of the Deadly E. Coli in Germany and Reveals New Super-Toxic Strain