Cos'è un gene drive?

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Un gene drive è un tipo di tecnica di ingegneria genetica che modifica i geni in modo che non seguano le regole tipiche dell'ereditarietà. Le spinte geniche aumentano notevolmente la probabilità che una particolare serie di geni venga trasmessa alla generazione successiva, consentendo ai geni di diffondersi rapidamente in una popolazione e di ignorare la selezione naturale. Grazie a CRISPR-Cas9, la tecnologia di editing genetico sfruttata dai batteri, i gene drive stanno diventando più facili da costruire per i ricercatori.

Con la tecnologia del gene drive "puoi modificare la traiettoria evolutiva. Puoi causare l'estinzione", ha detto Andrea Crisanti, genetista dell'Imperial College di Londra. Questo potrebbe essere un modo efficace per sradicare specie fastidiose, come le zanzare che causano la malaria. Ma gli scienziati stanno ancora lavorando per determinare i potenziali impatti ecologici e ambientali più ampi dell'utilizzo dei gene drive per eliminare un'intera specie.

Come funzionano i gene drive?

Un gene drive è costituito da tre componenti chiave: il gene che si desidera diffondere; l'enzima Cas9 che può tagliare il DNA; e CRISPR, una sequenza di DNA prommable che identifica dove l'enzima dovrebbe tagliare. Il materiale genetico che codifica per questi tre elementi viene inserito nel DNA di un animale, al posto del gene presente in natura che si desidera sostituire in entrambi i cromosomi.

Il potere del gene drive è che sconvolge le leggi dell'ereditarietà, ha detto Crisanti. Nell'eredità normale, c'è una probabilità del 50% che un particolare gene venga trasmesso dal genitore alla prole. La tecnologia Gene drive trasforma una probabilità del 50% in una garanzia quasi del 100%.

Quando un animale che trasporta il pacchetto del gene drive si accoppia con un animale che non lo fa, la sua prole riceve una copia del DNA da entrambi i genitori: una versione naturale e una versione del gene drive. Quando lo spermatozoo incontra l'uovo ei cromosomi dei diversi genitori si allineano per la prima volta, viene attivato CRISPR nel DNA del gene drive. Riconosce la copia del gene naturale nel cromosoma opposto e dirige l'enzima Cas9 che taglia il DNA di ritagliare la copia naturale prima che inizi lo sviluppo embrionale.

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Una volta che il gene naturale è danneggiato, viene attivato lo speciale meccanismo di riparazione della cellula. Il meccanismo di riparazione ripristina il DNA mancante, ma utilizza il cromosoma ininterrotto, che è quello che porta il gene drive, come modello. Quindi, quando la riparazione è terminata, entrambi i cromosomi portano una copia del gene drive. Da quel momento in poi, due copie del gene drive saranno in ogni cellula e l'animale trasmetterà il gene drive alla generazione successiva.

E così il processo continua. Ogni volta che il drive viene trasmesso, CRISPR taglia la versione naturale del gene, interviene il meccanismo di riparazione cellulare e una copia del gene drive diventa due. In poche generazioni il nuovo gene diventa onnipresente nella popolazione, a volte sostituendo totalmente il gene presente in natura.

Zanzare a trasmissione genica

Nel 2018, Crisanti ei suoi colleghi hanno pubblicato uno studio sulla rivista Nature Biotechnology che descrive come la tecnologia del gene drive potrebbe causare il collasso della popolazione di Anopheles gambiae, la specie di zanzara che causa la malaria. Il gruppo ha costruito un gene drive che cambierebbe un gene correlato al sesso e interromperà la fertilità femminile. Il gene drive con il gene della fertilità femminile danneggiato si è diffuso nel 100% della popolazione del test in appena sette generazioni. La specie non ha potuto accoppiarsi e la popolazione è crollata. Alcuni ricercatori ritengono che questo potrebbe essere l'approccio che finalmente elimina la malaria, una malattia brutale responsabile di aver causato 280 milioni di malattie e 405.000 morti a livello globale nel 2018, secondo l'Organizzazione mondiale della sanità.

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L'approccio del gene drive è un modo unicamente economico e sostenibile per sradicare le zanzare che causano la malaria, ha detto Cristanti. Altri approcci come l'insetticida e la gestione ambientale sono efficaci ma estremamente costosi e ben oltre le capacità economiche di molti paesi, ha affermato. "La spinta genetica consente la diffusione di un tratto genetico in una popolazione di pochi individui, affrontando il problema della sostenibilità alla radice".

Ma spazzare via un'intera specie è un grosso problema e implementare un gene drive in natura non è una decisione facile.

I geni drive sono pericolosi?

Gli scienziati stanno lavorando per prevedere cosa potrebbe significare l'eliminazione di una specie fastidiosa per il resto dell'ecosistema.

L'eradicazione delle zanzare che causano la malaria utilizzando un gene drive sembra probabilmente essere un piano con un impatto minimo. "Finora, i test ecologici mostrano che l'ecosistema non collassa", quando una specie di zanzara viene eliminata, ha detto Fred Gould, un biologo evoluzionista presso la North Carolina State University.

Gli effetti ecologici di altri progetti di gene drive sono più difficili da discernere. Ad esempio, conservazionisti e genetisti stanno lavorando a un gene drive che potrebbe eliminare i roditori invasivi dell'isola: uno sforzo nobile, considerando che i roditori invasivi delle isole sono stati collegati all'estinzione di 75 specie native, secondo uno studio del 2016 pubblicato sulla rivista Proceedings of la National Academy of Science.

Ma l'eradicazione dei roditori con un gene drive comporta rischi ecologici potenzialmente maggiori rispetto all'eradicazione di una zanzara. Se i roditori genetici fossero mai fuggiti dall'isola e fossero tornati nell'habitat naturale dei roditori, come il Nord America, la spinta potrebbe eliminare topi e ratti dove sono una parte critica dell'ecosistema. L'assenza dei roditori potrebbe portare al collasso dell'ecosistema.

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Per questo motivo, Gould ei suoi colleghi hanno lavorato a una strategia che avrebbe preso di mira solo i topi che vivono sulle isole. Popolazioni geograficamente distinte spesso portano la stessa variante di un gene, o allele, specifico per la loro popolazione locale. Se gli scienziati possono identificare un allele specifico per la popolazione che vogliono sradicare, possono creare un gene drive specifico per quella popolazione. La spinta si diffonderebbe solo agli individui portatori di quello specifico allele; non funzionerebbe in individui senza quello specifico allele. I ricercatori hanno descritto questo metodo in uno studio del 2019 pubblicato sulla rivista Scientific Reports.

Inoltre, diversi scienziati stanno studiando potenziali piani di bonifica o strategie per rimuovere il gene drive dall'ambiente in caso di risultati indesiderati. Ad esempio, Crisanti ei suoi colleghi hanno pubblicato uno studio nel 2017 sulla rivista Plos Genetics che descrive come le mutazioni genetiche resistenti al gene drive potrebbero persistere ed eliminare il gene drive in poche generazioni. La mutazione resistente al gene drive dovrebbe essere evitata affinché il gene drive persista, oppure potrebbe essere un modo per eliminare un gene drive indesiderato.

Sebbene il concetto di utilizzare un gene drive per proteggere la salute umana e ripristinare l'equilibrio ecologico sia promettente, la ricerca sulle implicazioni e l'efficacia dello strumento ha ancora molta strada da fare.

Risorse addizionali:

  • Tieniti aggiornato con le ultime notizie su CRISPR sulla pagina delle notizie di CRISPR.
  • Guarda questo breve video che descrive come funziona un gene drive dal Wyss Institute dell'Università di Harvard.
  • Ecco un altro breve video che descrive potenziali modi per salvaguardare un gene drive, anche dal Wyss Institute dell'Università di Harvard.
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