Dal Covid ai tumori: la tecnologia che mette il turbo alle terapie

Shankar Balasubramanian e David Klenerman 
Ha reso la lettura del Dna un milione di volte più veloce. Ce la spiegano i due scienziati che l'hanno scoperta
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Shankar Balasubramanian e David Klenerman, professori al dipartimento di Chimica dell'Università di Cambridge, hanno ricevuto il Millennium Technology Prize, premio da un milione di euro: è uno dei riconoscimenti più prestigiosi al mondo nell'ambito delle scienze e della tecnologia, ed è assegnato dalla Technology Academy of Finland alle innovazioni tecnologiche in grado di migliorare la qualità della vita delle persone.

Balasubramanian e Klenerman sono i co-inventori della tecnica di sequenziamento del Dnaa in parallelo Solexa-Illumina, tecnologia che ha reso un milione di volte più veloce il sequenziamento del Dna, aprendo la porta a tutta una serie di applicazioni che vanno dalla diagnostica, all'immunologia, all'oncologia, alla cura delle malattie rare, allo studio della biodiversità terrestre.

Nel 2000 il sequenziamento del Dna di una persona richiedeva 10 anni di analisi e oltre un miliardo di dollari, oggi la stessa operazione può essere compiuta in un giorno per meno di 1000 dollari, e grazie alla tecnologia di Balasubramanian e Klenerman ogni anno vengono sequenziati su larga scala oltre un milione di campioni di Dna, permettendo una migliore conoscenza delle malattie.

Il sequenziamento di nuova generazione (NGS) è stato impiegato anche durante la pandemia: sia per monitorare e analizzare le mutazioni del virus che sono emerse in tutto il mondo, sia per lo sviluppo dei vaccini attualmente utilizzati nella campagna di immunizzazione.

La vostra scoperta, rendendo veloce ed economico il sequenziamento del genoma, è il punto di partenza per la medicina personalizzata del futuro?
Balasubramanian: "Il genoma definisce ciò che siamo. E l'epigenoma, che è più dinamico, aiuta a definire i cambiamenti che possiamo avere dall'interazione con l'ambiente. Per il futuro della medicina personalizzata - che significa in parole povere trovare cure non solo in funzione della malattia, ma in funzione del modo in cui la malattia interagisce con te come individuo - non si potrà prescindere dal genoma e quindi dalle tecniche di sequenziamento".

Come funziona la vostra tecnica?
Balasubramanian: "Il Dna è in sostanza un codice lineare che comprende combinazioni di quattro lettere: A (adenina), T (timina), G (guanina) e C (citosina). Per semplificare le ho definite "lettere", in realtà sono basi azotate contenute nei nucleotidi che, concatenati, compongono il Dna. Quello che il sequenziamento di nuova generazione fa è leggere questo lungo codice - il genoma umano ha circa 3 miliardi di basi - in modo estremamente veloce. In questo modo: prendiamo un campione di Dna, lo spezziamo in miliardi di minuscoli frammenti e li fissiamo alla superficie di un chip. La nostra idea è stata trovare un modo per leggere contemporaneamente tutte le sequenze contenute in ogni frammento".

E come ci riuscite?
Balasubramanian: "Lo facciamo usando un enzima detto "Dna polimerasi", che costruisce copie di ogni frammento di Dna e lo fa utilizzando "mattoncini" di diversi colori, un colore per ognuna delle basi A,T, G, C. In questo modo, se si guarda la superficie del chip si vedono cambiamenti di colore che corrispondono alla sequenza di tutti i frammenti di Dna. Una volta ottenuti questi dati, possiamo usare il genoma umano di riferimento (rappresenta una sorta di "media" di tutti i genomi umani sequenziati finora, e fornisce la struttura generale del genoma umano) per ricostruire il posto esatto che ognuno dei frammenti che abbiamo sul chip occupa nel genoma. E questa "ricostruzione" è l'ultimo passo del sequenziamento. Operando così, possiamo identificare rapidamente tutte le variazioni genetiche che possono esserci tra individuo e individuo".

E una volta identificate queste variazioni genetiche?
Klenerman: "Trovando le variazioni nei genomi delle persone, si possono trovare i fattori che predispongono verso le malattie. Ad esempio nel caso delle malattie genetiche rare, o per quanto riguarda i fattori genetici che possono predisporre allo sviluppo di tumori".

Balasubramanian: "Un'altra applicazione che è stata trovata in biologia è usare questo sequenziamento per contare tutte le molecole di RNA che vengono prodotte in un campione biologico. Oggi questo sistema permette di capire quanto viene prodotto dai geni in certe situazioni".

Tra le varie applicazioni della vostra tecnica, quali sono quelle a maggiore impatto?
Klenerman: "Ci sono due classi di impatto. Il primo è sulla ricerca. Ad esempio questa tecnologia ci permette di scoprire quanto il Dna ci predisponga a malattie complesse come l'Alzheimer o al rischio di infarto. Il secondo tipo di impatto è sulle applicazioni cliniche. Tra queste, come dicevamo, una delle più importanti è l'identificazione di malattie genetiche rare, che è un passo importantissimo per poterle curare. Una volta scoperta la causa genetica di una malattia rara, infatti, in molti casi si riescono a identificare farmaci che possono curare la malattia. Per questo oggi il sequenziamento è usato nelle unità neonatali, per scoprire malattie genetiche nei neonati. Un'altra applicazione clinica di grande impatto oggi è il sequenziamento dei tumori, che permette di trovarne la causa genetica e quindi di aumentare le possibilità di terapia".

Balasubramanian: "C'è un'altra applicazione recente che trovo molto interessante. Anni fa Dennis Lo, della University of Hong Kong, ha scoperto che il Dna del feto può circolare liberamente nel sangue materno. E quindi oggi sequenziando il Dna nel sangue della madre, possiamo avere una tecnica diagnostica prenatale assolutamente non invasiva, che può aiutarci a scoprire malattie nel feto. In maniera simile, è stato scoperto che il Dna che si origina da un tumore può fluttuare nel sangue, in quantità molto ridotte ma comunque rilevabili. E quindi oggi sono in fase di sviluppo diversi test basati sul nostro sequenziamento che permettono di diagnosticare il cancro da campioni di sangue. Lo scopo è diagnosticare i tumori in una fase molto più precoce rispetto a quella in cui vengono scoperti con i sistemi diagnostici tradizionali".

In che modo la vostra tecnica ha aiutato la scienza nella lotta al Covid?
Klenerman: "Innanzitutto, potendo sequenziare così rapidamente, con il nostro sistema si possono identificare subito nuove varianti del virus. Questo è stato fatto soprattutto nel Regno Unito, per studiare l'evoluzione della pandemia e scoprire se il virus stesse mutando in una forma che si potesse diffondere più velocemente o potesse causare un'infezione peggiore. Il secondo modo in cui è stata usata la nostra tecnica è nel capire perché certe persone contraggono il virus ma non hanno sintomi, mentre altre si ammalano gravemente e finiscono in terapia intensiva. Sequenziando il genoma dei ricoverati in terapia intensiva è stato possibile identificare alcune loro caratteristiche. Una di queste è il fatto che certe persone hanno dei recettori per l'interferone malfunzionanti. Si è così capito che somministrando più interferone a questi malati si poteva aiutarli a riprendersi dalla malattia".

Quale è stato il "momento Eureka" della vostra scoperta?
Klenerman: "In realtà non stavamo cercando un modo per sequenziare il Dna, ma semplicemente stavamo facendo esperimenti per guardare in che modo l'enzima Dna polimerasi aggiunge basi alla molecola del Dna. Un giorno, mentre cercavamo di osservare questo enzima in azione, continuavamo a mancare l'obiettivo. Perché noi osservavamo un pezzo di Dna, ma l'enzima Dna polimerasi in quel momento si legava da qualche altra parte della molecola del Dna, al di fuori della nostra vista. Allora mi è venuta l'illuminazione: se avessi avuto una videocamera e avessi potuto osservare contemporaneamente tutti i frammenti di Dna sulla superficie del vetrino, allora l'enzima non mi sarebbe sfuggito. Mentre pensavo a questo, mi sono reso conto che, sfruttando lo stesso principio, ovvero osservare tutti i frammenti di Dna nello stesso momento, in parallelo, si sarebbe potuto sequenziare rapidamente un genoma".