Archivio per 4 novembre 2015

Come scoprimmo il DNA — How we discovered DNA   Leave a comment


(Trascrizioni e sottotitoli)     (filmed Feb 2005)

00:11Beh, pensavo ci fosse un podio, sono un po’ intimorito. (risate) Chris mi ha chiesto di raccontare ancora come abbiamo scoperto la struttura del DNA. E, siccome, ecco, io eseguo i suoi ordini, lo farò. Ma la cosa mi annoia leggermente. (risate) Insomma, voglio dire: ci ho scritto un libro. (risate) Così vi racconterò un po’ come avvenne la scoperta e perché ci arrivammo Francis e io. E poi, spero che mi rimarranno almeno cinque minuti per dirvi che cosa mi interessa ora.

00:47Dietro di me vedete una foto di quando avevo 17 anni. Ero all’Università di Chicago, terzo anno, ed ero al terzo anno perché all’Università di Chicago sei ammesso dopo due anni di scuole superiori. Fu divertente andarsene dalle superiori. Ero molto magro e non ero portato per lo sport o cose del genere.

01:13A proposito delle mie origini: mio padre fu allevato per diventare episcopale e repubblicano. Ma dopo un anno di college, diventò ateo e democratico. (risate) Mia madre era cattolica irlandese, ma non prendeva la religione troppo sul serio. Dall’età di 11 anni smisi di andare alla messa della domenica e cominciai a fare birdwatching con mio padre. Così, ancora giovane, cominciai a sentir parlare di Charles Darwin. Ero convinto che lui fosse il grande eroe. Come sapete, oggi capiamo la vita così come esiste attraverso l’evoluzione.

01:57All’università di Chicago scelsi di specializzarmi in zoologia. Pensavo che, se fossi stato abbastanza brillante, sarei riuscito a prendere il dottorato di ricerca in ornitologia alla Cornell University. Intanto, sul giornale di Chicago, c’era la recensione di un libro chiamato “Che cos’è la vita?” del grande fisico Schrodinger. E quella era sicuramente una domanda a cui volevo rispondere. Come sapete, Darwin spiegò la vita dopo che questa era cominciata, ma qual era l’essenza della vita?

02:27Schrodinger diceva che l’essenza della vita è l’informazione presente nei nostri cromosomi, e doveva essere contenuta in una molecola. Non avevo mai pensato alle molecole. Conoscevamo i cromosomi, ma qui si parlava di una molecola, e in qualche modo tutta l’informazione doveva essere presente in una forma digitale. E questa era la grande domanda: come copiare l’informazione?

02:54Questo diceva il libro. E da quel momento, decisi di diventare un genetista, per conoscere i geni e, attraverso di essi, comprendere la vita. Dunque, avevo un mio eroe, che seguivo da lontano. Non era un giocatore di baseball, era Linus Pauling. Feci domanda al California Institute of Technology e fu rifiutata. (risate) Così andai in Indiana che nella genetica era effettivamente valida come il Caltech e,oltretutto, aveva un’ottima squadra di football. In Indiana passai un periodo davvero molto felice. E fu lì che ebbi l’impressione che, come dire, i geni dovessero essere probabilmente il DNA. Così, una volta ottenuto il dottorato, avrei cominciato le ricerche sul DNA.

03:41Andai prima a Copenhagen perché pensavo che sarei potuto diventare un biochimico. Ma scoprii che la biochimica era molto noiosa. Non stava facendo progressi nello spiegare che cosa fossero i geni. Era semplicemente scienza nucleare. Oh, questo è il libro, è breve. Potete leggerlo in un paio d’ore. Poi andai a un convegno in Italia. C’era un relatore che non era previsto nel programma e che parlava di DNA. Era Maurice Wilkins. Aveva studiato da fisico, dopo la guerra si occupò di biofisica, e si interessò al DNA perché al Rockefeller Institute il DNA era stato definito come la possibile molecola dei geni sui cromosomi. La maggior parte degli studiosi pensava che queste molecole fossero le proteine. Ma Wilkins era convinto che il DNA fosse la molecola giusta e mostrò questa foto ai raggi X. Cristallino, in qualche modo. Dunque il DNA aveva la struttura, anche se, probabilmente, essa era dovuta a molecole differenti che portavano differenti insiemi di istruzioni. Dunque c’era qualcosa di universale legato alla molecola di DNA. Cercai di lavorare con lui, ma lui non voleva un altro birdwatcher, così finii a Cambridge, Inghilterra.

04:52Andai a Cambridge perché era il luogo più all’avanguardia nel mondo per la cristallografia ai raggi X. E oggi la cristallografia è una materia studiata nei dipartimenti di chimica. A quei tempi era il dominio dei fisici. E il posto migliore per la cristallografia ai raggi X era al Cavendish Laboratory di Cambridge. Là incontrai Francis Crick. Arrivai là senza conoscerlo. Lui aveva 35 anni. Io 23. E in un giorno, decidemmo che forse avremmo potuto prendere una scorciatoia per trovare la struttura del DNA.Risolvere la questione non in modo rigoroso, ma costruire un modello. Un modello elettronico, costruito sulla base di coordinate di lunghezza, tutto quel genere di cose usate nelle foto a raggi X. Ma chiedetevi: come dovrebbe ripiegarsi la molecola?

05:48E la ragione per chiederselo, al centro della foto, è Linus Pauling. Circa sei mesi prima, propose la struttura alfa elicoidale per le proteine. E facendo questo, bandì l’uomo sulla destra, Sir Lawrence Bragg, professore al Cavendish. Questa è una foto di molti anni dopo, quando Bragg aveva buone ragioni per sorridere. Certamente non rideva quando io arrivai là, perché si sentiva umiliato dall’elica di Pauling, e dal fallimento dei ricercatori di Cambridge, che non erano chimici. E certamente né Crick né io eravamo chimici, così cercammo di costruire un modello. E Francis conosceva Wilkins. Wilkins disse che ciò a cui aveva pensato era un’elica. Pensava che il diagramma a raggi X si potesse paragonare all’elica.

06:34Così costruimmo un modello a tre elementi intrecciati. Vennero su i ricercatori di Londra . Wilkins e questo collaboratore, o possibile collaboratore, Rosalind Franklin, vennero lì e si misero a ridere davanti al nostro modello. Dissero che era scarso, ed era così. Così ci dissero di non costruire più modelli: eravamo degli incompetenti. (risate) Così non costruimmo più modelli, e Francis continuò a lavorare sulle proteine. Io, fondamentalmente, non feci più niente, a parte leggere. Sapete, fondamentalmente, leggere è buona cosa: ti porta a conoscere i fatti. E continuammo a dire a quelli di Londra che Linus Pauling stava per dedicarsi al DNA. Se il DNA era così importante, Linus l’avrebbe saputo. Avrebbe costruito un modello e noi saremmo stati battuti sul tempo.

07:20In realtà, aveva scritto a quelli di Londra, chiedendo se poteva vedere la loro foto a raggi X. E loro ebbero la saggezza di dire di no. Così, Pauling non la vide. Ma ce n’erano in letteratura. Per la verità, Linus non le prendeva così tanto in considerazione. Ma circa 15 mesi dopo che io andai a Cambridgecominciò ad arrivare una voce dal figlio di Linus Pauling, che era a Cambridge, e diceva che il padre stava ora lavorando sul DNA. Così, un giorno entrò un uomo, disse che si chiamava Peter Pauling, e mi diede una copia dei manoscritti di suo padre. Ero preoccupato perché temevo che saremmo stati battuti sul tempo. Non ho niente da fare, nessuna qualifica. (risate)

08:02E c’era quel pezzo di carta, e Linus proponeva una struttura intrecciata a tre. Lessi il documento, ed… era pessimo. (risate) Questo era, come dire, inaspettato, dal più illustre… (risate) La struttura era tenuta assieme da legami idrogeno in mezzo a gruppi fosfato. Ecco, se il picco di PH delle cellule è circa 7,quei legami idrogeno non possono esistere. Ci precipitammo al Dipartimento di chimica dicendo: “Può aver ragione Pauling?” Alex Hust rispose: “No”. E ne fummo felici. (risate)

08:42Eravamo ancora in gioco, ma temevamo che qualcuno al Caltech avrebbe detto a Linus che aveva torto. Così Bragg disse: “Costruite modelli”. Un mese dopo aver avuto il manoscritto di Pauling lo portai a Londra e lo mostrai ai ricercatori. Dissi che Linus aveva torto, che noi eravamo ancora in gara e che avrebbero dovuto cominciar subito a costruire modelli. Ma Wilkins disse no, Rosalind Franklin se ne sarebbe andata fra due mesi, e lui avrebbe cominciato con i modelli dopo la partenza di lei. Così tornai a Cambridge con quelle notizie, e Bragg disse: “Costruite modelli”. Certamente, io volevo costruire modelli. Questa è una foto di Rosalind. In un certo senso, lei era un chimico, ma aveva molto da imparare, non sapeva niente di chimica organica o chimica dei quanti. Lei era una cristallografa.

09:33E credo che uno dei motivi per cui non volesse costruire modelli era che lei non era un chimico, mentre Pauling sì. Così io e Crick cominciammo a costruire modelli, io avevo studiato un po’ di chimica, ma non abbastanza. Trovammo la risposta il 28 febbraio 1953. E fu grazie a una regola che io considero molto valida: mai essere la persona più brillante in una stanza, e noi non lo eravamo. Noi non eravamo i migliori chimici presenti. Entrai e mostrai loro un appaiamento che avevo fatto, e Jerry Donahue, che era un chimico, disse che era sbagliato. Disse che gli atomi di idrogeno erano nel posto sbagliato. Io li avevo disposti così com’era indicato nei libri. Lui disse che così era sbagliato.

10:18Così il giorno dopo pensai: “Beh, forse ha ragione”. Così cambiai le posizioni, e in questo modo trovammo l’accoppiamento delle basi, E Francis disse subito che le catene correvano in senso assoluto. Sapevamo che avevamo ragione. Fu divertente, perché accadde tutto nel giro di due ore. Dal nulla, nacque tutto. E sapevamo che era una grossa scoperta perché, se mettete A vicino a T e G vicino a C, ottenete un meccanismo di copiatura. Così era possibile vedere come si trasferiva l’informazione genetica. Si tratta dell’ordine delle quattro basi azotate. In un certo senso, si tratta di informazione digitale. E la si può copiare separando l’intreccio. Se non funzionasse così, dovreste comunque crederci, perché non ci sarebbero altri schemi per spiegare il fenomeno. (risate)

11:16Ma questo non è come pensa la maggior parte degli scienziati. La maggioranza è davvero abbastanza ottusa. Dissero che non ci avrebbero pensato finché non fossero stati certi che era così. Ma noi eravamo convinti che fosse tutto corretto al 95%, o al 99%. Pensateci. Nei cinque anni successivi ci furono non più di cinque riferimenti del nostro lavoro su Nature, praticamente nessuna. Fummo lasciati soli, e cercammo di ultimare il trio: come – che cosa fa questa informazione genetica? Era piuttosto evidente che l’informazione veniva trasferita a una molecola di RNA, ma come veniva tradotto l’RNA in proteine? Per circa tre anni cercammo – cercai – di trovare la struttura dell’RNA. Nessun risultato. Nessuna foto a raggi X accettabile. Ero decisamente infelice. Una ragazza rifiutò di sposarmi. Come dire: era un po’ un periodo pessimo. (risate)

12:14Questa è una foto di Francis e me prima di conoscere la ragazza, quindi sembro ancora felice. (risate)Quando non sapevamo più come muoverci, abbiamo fatto questo: come procedere: abbiamo formato un club chiamato RNA Tie Club. George Gamow, un grande fisico, disegnò la cravatta. Era uno dei menbri del club. La domanda era: A partre dal codice a 4 lettere dell’RNA come arrivare al codice a 20 lettere delle proteine? Feynman era membro, e anche Teller, e amici di Gamow. Ma è stata l’unica… no, ci hanno fotografati solo due volte. E in entrambe le occasioni, uno dei due aveva dimenticato la cravatta. Francis è in alto a destra, e Alex Rich, il medico divenuto cristallografo, è vicino a me. Fu scattata a Cambridge nel settembre del 1955. Sto sorridendo, un sorriso un po’ forzato, credo, perché la mia ragazza mi aveva lasciato. (risate)

13:21Non mi sentii felice fino al 1960, perché fu allora che scoprimmo che c’erano fondamentalmente 3 forme di RNA. E scoprimmo, fondamentalmente, che il DNA contiene le informazioni per l’RNA. E che l’RNA contiene le informazioni per la sintesi delle proteine. E questo permise a Marshall Nirenberg di prendere l’RNA, sintetico e metterlo in un sistema che sintetizzava le proteine. Creò la poli-phenylalanina. Fu la prima volta che deciframmo il codice genetico, e lo deciframmo completamente nel 1966. Ecco, questo era quello che Chris mi ha chiesto di raccontarvi. Che cosa successe da allora?Beh, devo tornare indietro. Quando scoprimmo la struttura del DNA, tenni la prima conferenza al Cold Spring Harbor. Il fisico Leo Szilard mi guardò e disse: “Vuoi brevettare questo?” Lui conosceva le leggi sui brevetti e sapeva che non avremmo potuto farlo, perché era impossibile: non c’era utilità. (risate)

14:28E così il DNA non divenne una molecola utile, e gli avvocati non entrarono in gioco fino al 1973, 20 anni dopo, quando Boyer e Cohen a San Francisco e Stanford presentarono il loro metodo del DNA ricombinante, Stanford brevettò quel metodo e ci fece un sacco di soldi. Alla fine brevettarono qualcosa che potesse produrre qualcosa di utile. In seguito, impararono a leggere le lettere del codice genetico.Poi scoppiò il boom dell’industria delle biotecnologie. Ma eravamo ancora lontani dal rispondere alla domanda che in qualche modo dominò la mia giovinezza, che è questa: come conciliare natura e cultura?

15:13Vado avanti. Sono già fuori tempo. Questo è Michael Wigler, un matematico molto molto intelligentediventato fisico. Ha sviluppato una tecnica che ci permetterà essenzialmente di esaminare pezzi di DNAe, eventualmente, milioni di punti lungo di esso. C’è un chip tradizionale lì dentro. Poi ce n’è uno fatto da una fotolitografia di un’azienda di Madison chiamata NimbleGen, che è più all’avanguardia della Affymetrix. Noi usiamo le sue tecniche. E ciò che si può fare è una specie di confronto tra i DNA di individui normali. Lì c’è il cancro, e potete vedere in cima che il DNA di cellule con tumori maligni presenta inserimenti o eliminazioni. Dunque il DNA è davvero danneggiato in caso di cancro, mentre se avete una possibilità di sopravvivere, non lo è così tanto. Crediamo che questa tecnica condurrà a ciò che noi chiamiamo “biopsia del DNA”. Prima di cominciare una cura contro il cancro, bisognarebbe considerare seriamente questa tecnica, per conoscere il proprio nemico. E’ solo uno sguardo parziale,ma credo che in futuro sarà molto, molto utile.

16:21Così cominciammo a lavorare sul tumore al seno: ci sono molti finanziamenti per quello, non governativi. E attualmente ho una specie di interesse acquisito: Voglio lavorare sul tumore alla prostata.Oggi non si viene curati a meno che non sia pericoloso. Ma Wigler, prima di osservare le cellule tumorali, osservò quelle sane, e fece una scoperta molto curiosa. Tutti noi abbiamo 10 posizioni nel nostro genoma dove abbiamo perso un gene o ne abbiamo guadagnato un altro. Quindi siamo, come dire, tutti un po’ imperfetti. E la questione è che se noi siamo qui, vuol dire che queste piccole sottrazioni o aggiunte non sono così negative. Ma se queste cancellazioni o amplificazioni fossero nel gene sbagliato, potremmo ammalarci.

17:08La prima malattia a cui Wigler si interessò fu l’autismo. E la ragione per cui studiammo l’autismo era che avevamo i soldi per farlo. Osservare un individuo richiede 3000 dollari. Il genitore di un bambinocon la sindrome di Asperger, l’autismo ad alto funzionamento, si rivolse a un’azienda tradizionale: niente di fatto. Non era possibile con la genetica convenzionale, ma solo attraverso la scansionecominciammo a scoprire i geni dell’autismo. E come potete vedere qui, ce ne sono tanti. Tanti bambini autistici, lo sono perché hanno perso un pezzo consistente di DNA. Parlo di un pezzo consistente a livello molecolare. Abbiamo esaminato un bambino autistico a cui mancavano 5 milioni di basi da uno dei suoi cromosomi. Non abbiamo ancora esaminato i genitori, ma loro probabilmente non hanno questa mancanza, se no non sarebbero diventati genitori. Oggi le nostre ricerche sull’autismo sono appena agli inizi. Abbiamo 3 milioni di dollari. Penso che ne serviranno dai 10 ai 20 prima di riuscire aaiutare i genitori che hanno avuto un figlio autistico, o che pensano di poter avere un figlio autistico, ed essere in grado di riconoscere questa differenza. Dunque questa tecnica dovrebbe probabilmente riguardare tutti. E’ un modo meraviglioso per scoprire i geni.

18:23E infine, concluderò dicendo che abbiamo esaminato 20 persone malate di schizofrenia. Pensavamo che ce ne sarebbero volute diverse centinaia prima di capirci qualcosa. Ma come vedete, sette persone su 20 hanno avuto un cambiamento molto consistente. E ancora, nei controlli ce ne sono 3.Qual è il significato dei controlli? Erano pazzi anche loro, e non lo sapevamo? O erano normali? Direi che erano normali. Noi crediamo che esistano geni che predispongano alla schizofrenia e se questo è ciò che predispone, allora c’è solo un sub-segmento della popolazione esposto al rischio di schizofrenia.

19:07Ad ora non abbiamo una reale prova di questo, ma credo di poter fare un’ipotesi: è probabile che, se siete mancini, siete propensi alla schizofrenia. Il 30 per cento delle persone schizofreniche è mancino,e la schizofrenia ha una genetica molto strana: il 60 per cento delle persone è geneticamente mancino,ma solo la metà lo mostra. Non ho tempo per approfondire. Ora, alcune persone che pensano di essere destre sono geneticamente mancine. Ok, sto dicendo che, se state pensando: “Oh, non ho il gene del mancino, quindi i miei figli non saranno a rischio di schizofrenia”. Potrebbero esserlo, invece. (risate)

19:54Questo per me è un periodo eccitante. Dobbiamo riuscire a trovare il gene per il disturbo bipolare: c’è una relazione. E se avessimo abbastanza soldi, troveremmo tutte le risposte l’anno prossimo. Vi ringrazio.

(English)

00:11Well, I thought there would be a podium, so I’m a bit scared. (Laughter) Chris asked me to tell again how we found the structure of DNA. And since, you know, I follow his orders, I’ll do it. But it slightly bores me. (Laughter) And, you know, I wrote a book. So I’ll say something — (Laughter) — I’ll say a little about, you know, how the discovery was made, and why Francis and I found it. And then, I hope maybe I have at least five minutes to say what makes me tick now.

00:47In back of me is a picture of me when I was 17. I was at the University of Chicago, in my third year, and I was in my third year because the University of Chicago let you in after two years of high school. So you — it was fun to get away from high school — (Laughter) — because I was very small, and I was no good in sports, or anything like that.

01:13But I should say that my background — my father was, you know, raised to be an Episcopalian and Republican, but after one year of college, he became an atheist and a Democrat. (Laughter) And my mother was Irish Catholic, and — but she didn’t take religion too seriously. And by the age of 11, I was no longer going to Sunday Mass, and going on birdwatching walks with my father. So early on, I heard of Charles Darwin. I guess, you know, he was the big hero. And, you know, you understand life as it now exists through evolution.

01:57And at the University of Chicago I was a zoology major, and thought I would end up, you know, if I was bright enough, maybe getting a Ph.D. from Cornell in ornithology. Then, in the Chicago paper, there was a review of a book called “What is Life?” by the great physicist, Schrodinger. And that, of course, had been a question I wanted to know. You know, Darwin explained life after it got started, but what was the essence of life?

02:27And Schrodinger said the essence was information present in our chromosomes, and it had to be present on a molecule. I’d never really thought of molecules before. You know chromosomes, but this was a molecule, and somehow all the information was probably present in some digital form. And there was the big question of, how did you copy the information?

02:54So that was the book. And so, from that moment on, I wanted to be a geneticist — understand the gene and, through that, understand life. So I had, you know, a hero at a distance. It wasn’t a baseball player; it was Linus Pauling. And so I applied to Caltech and they turned me down. (Laughter) So I went to Indiana, which was actually as good as Caltech in genetics, and besides, they had a really good basketball team. (Laughter) So I had a really quite happy life at Indiana. And it was at Indiana I got the impression that, you know, the gene was likely to be DNA. And so when I got my Ph.D., I should go and search for DNA.

03:41So I first went to Copenhagen because I thought, well, maybe I could become a biochemist, but I discovered biochemistry was very boring. It wasn’t going anywhere toward, you know, saying what the gene was; it was just nuclear science. And oh, that’s the book, little book. You can read it in about two hours. And — but then I went to a meeting in Italy. And there was an unexpected speaker who wasn’t on the program, and he talked about DNA. And this was Maurice Wilkins. He was trained as a physicist,and after the war he wanted to do biophysics, and he picked DNA because DNA had been determined at the Rockefeller Institute to possibly be the genetic molecules on the chromosomes. Most people believed it was proteins. But Wilkins, you know, thought DNA was the best bet, and he showed this x-ray photograph. Sort of crystalline. So DNA had a structure, even though it owed it to probably different molecules carrying different sets of instructions. So there was something universal about the DNA molecule. So I wanted to work with him, but he didn’t want a former birdwatcher, and I ended up in Cambridge, England.

04:52So I went to Cambridge, because it was really the best place in the world then for x-ray crystallography. And x-ray crystallography is now a subject in, you know, chemistry departments. I mean, in those days it was the domain of the physicists. So the best place for x-ray crystallography was at the Cavendish Laboratory at Cambridge. And there I met Francis Crick. I went there without knowing him. He was 35. I was 23. And within a day, we had decided that maybe we could take a shortcut to finding the structure of DNA. Not solve it like, you know, in rigorous fashion, but build a model, an electro-model, using some coordinates of, you know, length, all that sort of stuff from x-ray photographs. But just ask what the molecule — how should it fold up?

05:48And the reason for doing so, at the center of this photograph, is Linus Pauling. About six months before, he proposed the alpha helical structure for proteins. And in doing so, he banished the man out on the right, Sir Lawrence Bragg, who was the Cavendish professor. This is a photograph several years later,when Bragg had cause to smile. He certainly wasn’t smiling when I got there, because he was somewhat humiliated by Pauling getting the alpha helix, and the Cambridge people failing because they weren’t chemists. And certainly, neither Crick or I were chemists, so we tried to build a model. And he knew, Francis knew Wilkins. So Wilkins said he thought it was the helix. X-ray diagram, he thought was comparable with the helix.

06:34So we built a three-stranded model. The people from London came up. Wilkins and this collaborator, or possible collaborator, Rosalind Franklin, came up and sort of laughed at our model. They said it was lousy, and it was. So we were told to build no more models; we were incompetent. (Laughter) And so we didn’t build any models, and Francis sort of continued to work on proteins. And basically, I did nothing. And — except read. You know, basically, reading is a good thing; you get facts. And we kept telling the people in London that Linus Pauling’s going to move on to DNA. If DNA is that important, Linus will know it. He’ll build a model, and then we’re going to be scooped.

07:20And, in fact, he’d written the people in London: Could he see their x-ray photograph? And they had the wisdom to say “no.” So he didn’t have it. But there was ones in the literature. Actually, Linus didn’t look at them that carefully. But about, oh, 15 months after I got to Cambridge, a rumor began to appear from Linus Pauling’s son, who was in Cambridge, that his father was now working on DNA. And so, one day Peter came in and he said he was Peter Pauling, and he gave me a copy of his father’s manuscripts.And boy, I was scared because I thought, you know, we may be scooped. I have nothing to do, no qualifications for anything. (Laughter)

08:02And so there was the paper, and he proposed a three-stranded structure. And I read it, and it was just — it was crap. (Laughter) So this was, you know, unexpected from the world’s — (Laughter) — and so, it was held together by hydrogen bonds between phosphate groups. Well, if the peak pH that cells have is around seven, those hydrogen bonds couldn’t exist. We rushed over to the chemistry department and said, “Could Pauling be right?” And Alex Hust said, “No.” So we were happy. (Laughter)

08:42And, you know, we were still in the game, but we were frightened that somebody at Caltech would tell Linus that he was wrong. And so Bragg said, “Build models.” And a month after we got the Pauling manuscript — I should say I took the manuscript to London, and showed the people. Well, I said, Linus was wrong and that we’re still in the game and that they should immediately start building models. But Wilkins said “no.” Rosalind Franklin was leaving in about two months, and after she left he would start building models. And so I came back with that news to Cambridge, and Bragg said, “Build models.”Well, of course, I wanted to build models. And there’s a picture of Rosalind. She really, you know, in one sense she was a chemist, but really she would have been trained — she didn’t know any organic chemistry or quantum chemistry. She was a crystallographer.

09:33And I think part of the reason she didn’t want to build models was, she wasn’t a chemist, whereas Pauling was a chemist. And so Crick and I, you know, started building models, and I’d learned a little chemistry, but not enough. Well, we got the answer on the 28th February ’53. And it was because of a rule, which, to me, is a very good rule: Never be the brightest person in a room, and we weren’t. We weren’t the best chemists in the room. I went in and showed them a pairing I’d done, and Jerry Donohue — he was a chemist — he said, it’s wrong. You’ve got — the hydrogen atoms are in the wrong place. I just put them down like they were in the books. He said they were wrong.

10:18So the next day, you know, after I thought, “Well, he might be right.” So I changed the locations, and then we found the base pairing, and Francis immediately said the chains run in absolute directions. And we knew we were right. So it was a pretty, you know, it all happened in about two hours. From nothing to thing. And we knew it was big because, you know, if you just put A next to T and G next to C, you have a copying mechanism. So we saw how genetic information is carried. It’s the order of the four bases. So in a sense, it is a sort of digital-type information. And you copy it by going from strand-separating. So, you know, if it didn’t work this way, you might as well believe it, because you didn’t have any other scheme. (Laughter)

11:16But that’s not the way most scientists think. Most scientists are really rather dull. They said, we won’t think about it until we know it’s right. But, you know, we thought, well, it’s at least 95 percent right or 99 percent right. So think about it. The next five years, there were essentially something like five references to our work in “Nature” — none. And so we were left by ourselves, and trying to do the last part of the trio: how do you — what does this genetic information do? It was pretty obvious that it provided the information to an RNA molecule, and then how do you go from RNA to protein? For about three years we just — I tried to solve the structure of RNA. It didn’t yield. It didn’t give good x-ray photographs. I was decidedly unhappy; a girl didn’t marry me. It was really, you know, sort of a shitty time. (Laughter)

12:14So there’s a picture of Francis and I before I met the girl, so I’m still looking happy. (Laughter) But there is what we did when we didn’t know where to go forward: we formed a club and called it the RNA Tie Club. George Gamow, also a great physicist, he designed the tie. He was one of the members. The question was: How do you go from a four-letter code to the 20-letter code of proteins? Feynman was a member, and Teller, and friends of Gamow. But that’s the only — no, we were only photographed twice.And on both occasions, you know, one of us was missing the tie. There’s Francis up on the upper right,and Alex Rich — the M.D.-turned-crystallographer — is next to me. This was taken in Cambridge in September of 1955. And I’m smiling, sort of forced, I think, because the girl I had, boy, she was gone.(Laughter)

13:21And so I didn’t really get happy until 1960, because then we found out, basically, you know, that there are three forms of RNA. And we knew, basically, DNA provides the information for RNA. RNA provides the information for protein. And that let Marshall Nirenberg, you know, take RNA — synthetic RNA — put it in a system making protein. He made polyphenylalanine, polyphenylalanine. So that’s the first cracking of the genetic code, and it was all over by 1966. So there, that’s what Chris wanted me to do, it was — so what happened since then? Well, at that time — I should go back. When we found the structure of DNA, I gave my first talk at Cold Spring Harbor. The physicist, Leo Szilard, he looked at me and said, “Are you going to patent this?” And — but he knew patent law, and that we couldn’t patent it,because you couldn’t. No use for it. (Laughter)

14:28And so DNA didn’t become a useful molecule, and the lawyers didn’t enter into the equation until 1973,20 years later, when Boyer and Cohen in San Francisco and Stanford came up with their method of recombinant DNA, and Stanford patented it and made a lot of money. At least they patented somethingwhich, you know, could do useful things. And then, they learned how to read the letters for the code.And, boom, we’ve, you know, had a biotech industry. And, but we were still a long ways from, you know, answering a question which sort of dominated my childhood, which is: How do you nature-nurture?

15:13And so I’ll go on. I’m already out of time, but this is Michael Wigler, a very, very clever mathematicianturned physicist. And he developed a technique which essentially will let us look at sample DNA and, eventually, a million spots along it. There’s a chip there, a conventional one. Then there’s one made by a photolithography by a company in Madison called NimbleGen, which is way ahead of Affymetrix. And we use their technique. And what you can do is sort of compare DNA of normal segs versus cancer.And you can see on the top that cancers which are bad show insertions or deletions. So the DNA is really badly mucked up, whereas if you have a chance of surviving, the DNA isn’t so mucked up. So we think that this will eventually lead to what we call “DNA biopsies.” Before you get treated for cancer,you should really look at this technique, and get a feeling of the face of the enemy. It’s not a — it’s only a partial look, but it’s a — I think it’s going to be very, very useful.

16:21So, we started with breast cancer because there’s lots of money for it, no government money. And now I have a sort of vested interest: I want to do it for prostate cancer. So, you know, you aren’t treated if it’s not dangerous. But Wigler, besides looking at cancer cells, looked at normal cells, and made a really sort of surprising observation. Which is, all of us have about 10 places in our genome where we’ve lost a gene or gained another one. So we’re sort of all imperfect. And the question is well, if we’re around here, you know, these little losses or gains might not be too bad. But if these deletions or amplifications occurred in the wrong gene, maybe we’ll feel sick.

17:08So the first disease he looked at is autism. And the reason we looked at autism is we had the money to do it. Looking at an individual is about 3,000 dollars. And the parent of a child with Asperger’s disease, the high-intelligence autism, had sent his thing to a conventional company; they didn’t do it. Couldn’t do it by conventional genetics, but just scanning it we began to find genes for autism. And you can see here, there are a lot of them. So a lot of autistic kids are autistic because they just lost a big piece of DNA. I mean, big piece at the molecular level. We saw one autistic kid, about five million bases just missing from one of his chromosomes. We haven’t yet looked at the parents, but the parents probablydon’t have that loss, or they wouldn’t be parents. Now, so, our autism study is just beginning. We got three million dollars. I think it will cost at least 10 to 20 before you’d be in a position to help parents who’ve had an autistic child, or think they may have an autistic child, and can we spot the difference?So this same technique should probably look at all. It’s a wonderful way to find genes.

18:23And so, I’ll conclude by saying we’ve looked at 20 people with schizophrenia. And we thought we’d probably have to look at several hundred before we got the picture. But as you can see, there’s seven out of 20 had a change which was very high. And yet, in the controls there were three. So what’s the meaning of the controls? Were they crazy also, and we didn’t know it? Or, you know, were they normal? I would guess they’re normal. And what we think in schizophrenia is there are genes of predisposure, and whether this is one that predisposes — and then there’s only a sub-segment of the population that’s capable of being schizophrenic.

19:07Now, we don’t have really any evidence of it, but I think, to give you a hypothesis, the best guess is that if you’re left-handed, you’re prone to schizophrenia. 30 percent of schizophrenic people are left-handed, and schizophrenia has a very funny genetics, which means 60 percent of the people are genetically left-handed, but only half of it showed. I don’t have the time to say. Now, some people who think they’re right-handed are genetically left-handed. OK. I’m just saying that, if you think, oh, I don’t carry a left-handed gene so therefore my, you know, children won’t be at risk of schizophrenia. You might. OK? (Laughter)

19:54So it’s, to me, an extraordinarily exciting time. We ought to be able to find the gene for bipolar; there’s a relationship. And if I had enough money, we’d find them all this year. I thank you.

Pubblicato 4 novembre 2015 da sorriso47 in DNA, James Watson, RNA, scienza, Scuola, Ted.com

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Huntington Desease The CRISPR technology allows scientists to make changes to the DNA in cells that could allow us to cure genetic disease.   Leave a comment


La conferenziera, Jennifer Doudna, insieme alla college Emmanuelle Charpentier, ha inventato un metodo per modificare i genomi del DNA. Il metodo (la tecnologia) si chiama CRISPR-Case9.

La scoperta è stata fatta nell’ambito di una ricerca volta a capire in che modo i batteri combattono le infezioni virali. Nelle celle di molti batteri c’è un sistema immunitario chiamato CRISPR che permette di identificare e distruggere DNA virali.

Di questo CRISPR fa parte una proteina che si chiama Cas9 ed è attraverso le funzioni di questa proteina che gli scienziati hanno oggi la possibilità di eliminare o di inserire specifici “bits” di DNA nelle cellule con un’incredibile precisione.

Questa tecnologia è già stata usata per modificare il DNA di topi, scimmie e anche altri organismi. Alcuni scienziati cinesi hanno dimostrato di poter utilizzare la tecnologia CRISPR per cambiare dei geni in embrioni umani, e alcuni scienziati di Filadelfia hanno usato CRISPR per rimuovere il DNA del virus da cellule umane infette da HIV.

La possibilità di modificare i genomi solleva questioni di carattere morale che vanno considerate, perché questa tecnologia può essere utilizzata non solo in cellule di adulti ma anche in quelle di embrioni. È per questo che io e i miei colleghi abbiamo aperto il dibattito, per poter considerare le implicazioni etiche e sociali di questa tecnologia.

Quello che voglio fare ora è spiegare che cos’è la tenologia CRISPR, a che punto siamo oggi, e perché io penso che dobbiamo esercitare prudenza nell’andare avanti con questa tecnologia.

Quando un virus infetta una cellula, vi inietta il suo DNA. In un batterio, il sistema CRISPR permette di prelevare il DNA del virus e di inserirlo a “pezzettini” nel cromosoma – il DNA – del batterio. Questi pezzettini vengno inseriti in un luogo chiamato CRISPR – l’abbreviazione sta per “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”.

Questo è un meccanismo che permette alle cellule di ricordare nel tempo i virus ai quali sono state esposte. E quello che è importante è che questi “bits” di DNA sono trasmessi anche alla progenie della cellula, così che le cellule sono protette dai virus non solo per una ma per molte generazioni di cellule. Le cellule hanno così un ‘registro’ delle infezioni, e, come dice il mio collega Blake Wiedenheft, il CRISPR è di fatto come una vaccinazione genetica. Una volta che i bits di DNA sono stati inseriti nel cromosoma del batterio, la cellula genera una copia di una modecola chiamata RNA (color arancione nell’immagine), che è un’esatta replica del DNA del virus. RNA è un cugino chimico del DNA e permette l’interazione con molecole di DNA che hanno una sequenza parallela.

Dunque, quei bits di RNA che si trovano nel CRISPR si associano con la proteina Cas9 (nell’immagine qui è bianca), e formano un ‘complesso’ che agisce come una sentinella nella cellula. Essa perlustra tutto il DNA della cellula per trovare dei luoghi che hanno una sequenza parallela agli RNA; e, quando li trova (la molecola blu in quest’immagine è il DNA), questo complesso si associa con quel DNA e permette a Cas9 di tagliare il DNA del virus. Insomma, possiamo immaginare il complesso RNACas9 come un paio di forbici che riescono a tagliare il DNA. E ciò che è importante è che è possibile programmare questo complesso in modo che riconosca certe sequenze di DNA e le spezzi.

Insomma, è possibile utilizzare questa attività per modificare il genoma, permettere alle cellule di apportare un preciso cambiamento del DNA nel punto in cui avviene il taglio – un po’ come si riesce a correggere un errore di battuta con un programma di scrittura.

Abbiamo pensato di utilizzare il sistema CRISPR per modificare i genomi perché le cellule riescono a riconoscere i DNA spezzati e a ripararli. Quando una cellula, vegetale o animale, identifica una rottura nel suo DNA, riesce a ripararla o incollando insieme le due estremità con una minima modifica della sequenza in quella posizione, o integrando un nuovo pezzetto di DNA al posto della rottura. Allora, se riusciamo a introdurre delle rotture nel DNA in posti predefiniti, possiamo indurre le cellule a riparare quelle fratture, incorporando nuove informazioni genetiche.

Dunque, se riusciamo a programmare CRISPR in modo che faccia un taglio del DNA nel punto preciso, o vicino a una mutazione che determina, per esempio, la fibrosi cistica, si induce la cellula a riparare quella mutazione.

Ora, “genome engineering” non è una cosa nuova ma i vecchi metodi erano molto complicati o inefficienti. La tecnologia CRISPR è invece relativamente semplice. Si potrebbero paragonare le vecchie tecnologie al metodo di spegnere un computer e farlo ripartire tutte le volte che c’è bisogno di usare una nuova funzione del software, mentre CRISPR è come un software per il genoma, possiamo programmarlo facilmente con questi pezzettini di RNA.

Dunque, una volta che si è fatto un taglio nel DNA, si provoca una riparazione, e questo ha dei risultati incredibili,

come correggere le mutazioni che causano l’anemia o il morbo di Huntington.

Io penso che la prima applicazione della tecnologia CRISPR avverrà nel sangue, visto che è più facile inserire questo ‘strumento’ nelle cellule liquide che nei tessuti solidi.

Ora come ora, si applica la tecnologia su modelli di malattie umane negli animali, come i topi. Si provocano determinati cambiamenti nel DNA delle cellule per vedere in che modo queti cambiamenti influenzano un tessuto o addirittura, come in questo caso [evidentemente quello presentato in diapositive dalla conferenziera] un intero organismo.

In questo esempio, la tecnologia CRISPR è stata usata per modificare un gene, quello che determina il colore nero del mantello di questi topi. Pensate che questi topolini bianchi sono diversi da quelli pigmentati soltanto in virtù di una minuscola differenza in un solo gene – dell’intero genoma – , e sono in tutto il resto assolutamente ‘normali’. E quando analizziamo la sequenza del genoma di questi animali, vediamo che la motidica del DNA è avvenuta esattamente nel punto in cui noi l’abbiamo indotta usando la tecnologia CRISPR.

Altri esperimenti si stanno facendo sulle scimmie. Qui cerchiamo di sperimentare l’applicazione di questa tecnologia su certi tessuti, studiando per esempio in che modo introdurre CRISPR nelle cellule. Vogliamo anche capire meglio in che modo il DNA viene riparato dopo essere stato tagliato, e come controllare gli effetti di un errore nel punto su cui si applica il taglio, e se l’uso di questa tecnologia porta conseguenze non previste.

Io penso che questa tecnologia si potrà applicare clinicamente entro i prossimi 10 anni, certamente su degli adulti.

Ritengo probabile che saranno offerte terapie sperimentali, e forse anche già approvate, entro questo lasso di tempo; il che è evidentemente entusiamante. Ma proprio a causa di questo entusiasmo sono già state fondate compagnie, finanziate da capitali d’investimento, allo scopo di commercializzare la tecnologia CRISPR.

Bisogna considerare che la tecnologia CRISPR può essere utilizzata anche a fini di “enhancement” (aumento della performance). Pensate che si potrebbe cercare di “engineer” degli essere umani con proprietà ‘migliorate’, per esempio con ossa più solide, o meno esposti a malattie cardiocircolatorie, o magari con proprietà considerate desiderabili come l’avere gli occhi di un certo colore, o essere più alti, o cose di questo genere. Umani fatti su misura, se volete. Per il momento, non sappiamo ancora quali sono i geni che determinano i tratti che ho menzionato, ma è importante sapere che la tecnologia CRISPR ha la capacità di produrre quei tali cambiamenti, una volta che la conoscenza del genoma sarà più completa.

Questo fa nascere delle questioni etiche che dobbiamo considerare attentamente, ed è per questo che io e i miei colleghi abbiamo chiesto una sospensione globale delle applicazioni cliniche della tecnologia CRISPR in embrioni umani, perché noi abbiamo il tempo di riflettere sulle implicazioni di queto utilizzo. C’è un precedente importante per questa sospensione, quando nel 1970 gli scienziati si accordarono per chiedere una moratoria sugli esperimenti delle clonazioni molecolari, finché si potesse attentamente verificare la sicurezza di quella tecnologia.

Quindi, non ci sono ancora essere umani dal genoma pre-programmato, ma l’idea non appartiene più alla science-fiction. Piante e animali dal genoma pre-programmato esistono già; e questo ci pone davanti a una responsabilità enorme, quella di riflettere attentamente sulle conseguenze impreviste, oltre che sull’impatto desiderato, di scoperte scientifiche così significative.

Discussione

Bruno Giussani: Questa tecnologia comporta possibilità straordinarie, come tu hai indicato; e la tua presa di posizione nel chiedere una sospensione è assolutamente responsabile. Certo, ci sono i risultati terapeutici della tecnologia, ma quelli pubblicizzati dai media sarebbero soprattutto quelli non terapeutici. Il giornale “The Economist” ha pubblicato un articolo dal titolo “Programmare l’umanità”, che ruota tutto intorno all’idea delle funzioni migliorate geneticamente, non intorno alla cura delle malattie. Quali sono state le reazioni dei tuoi colleghi scienziati, in Marzo, quando hai raccomandato la sospensione e la riflessione su questa tecnologia?

Risposta. I miei colleghi sono stati felici di avere l’opportunità di discutere apertamente su questo. Trovo delle reazioni molto diverse, sia fra i colleghi scienziati sia nel pubblico in generale. Proprio per questo l’idea va discussa e considerata attentamente.

BG: A dicembre ci sarà un incontro importante, convocato da te e i tuoi colleghi, insieme alla National Academy of Sciences e ad altre istituzioni. Che cosa speri che venga fuori da questo convegno, concretamente?

Risposta: Spero che vengano resi manifesti i punti di vista di individui vari così come dei diretti interessati, che desiderano utilizzare questa tecnologia in modo responsabile. Non sarà possibile arrivare ad una posizione condivisa consensualmente, ma penso che dovremmo alneno renderci sonto delle questioni sollevate da questa tecnologia mentre procediamo nello studio.

BG: Alcuni tuoi colleghi, come George Church, di Harvard, per esempio, dicono: “Sì, le questioni etiche sono essenzialmente una questione di sicurezza. Noi facciamo esperimenti, li ripetiamo, li ripetiamo e li ripetiamo ancora sugli animali e in laboratorio e poi, non appena appaiono abbastanza sicuri, li trasferiamo sugli esseri umani.” Questo sembra rappresentare l’altra ‘scuola di pensiero’, secondo la quale noi dovremmo davvero approfittare di questa opportunità e renderla operativa. Si può prevedere una divisione nel mondo scientifico a questo proposito? Cioè, si può pensare che certuni frenino perché hanno preoccupazioni di tipo morale ed altri vadano invece avanti perché certi stati hanno regolamenti più flessibili, o magari non ne hanno per niente?

Risposta. Immagino che su qualunque nuova tecnologia, e particolarmente su questa, ci siano opinioni differenti, ed è comprensibile. Penso che alla fine questa tecnologia verrà utilizzata per pre-programmare degli essere umani, ma penso anche che fare una cosa di queto genere senza riflettere preliminarmente sui possibili rischi e conseguenze sarebbe un modo di operare irresponsabile.

BG: Ci sono anche altre tecnologie e altri campi scientifici che si stanno sviluppando fortemente, come nel tuo caso. Penso per esempio all’intelligenza artificaile, ai robot autonomi e così via. Sembra che nessuno abbia aperto una discussione (a parte per i robot militari autonomi) in questi campi, o chiesto una sospensione. Pensi che la discussione che tu lanci possa servire di modello per altri campi?

Risposta. Penso che sia difficile per degli scienziati uscire fuori dal loro laboratorio. Parlo per me stessa, che non mi sento del tutto a mio agio nel farlo. Ma penso che il fatto di essere all’origine di questa tecnologia pone una responsabilità sulle spalle mie e dei miei colleghi. E direi anche che io spero davvero che altre tecnologie vengano considerate alla stessa stregua, così come io vorrei riflettere su tecnologie di altri campi che possano implicare notevoli conseguenze al di fuori della biologia.

Chi è il proprietario della più grande scoperta biotech del secolo?

è in corso un’aspra lotta sui brevetti dei CRISPR, una nuova e rivoluzionaria forma di editing del DNA.
Di Antonio Regalado il 12-21-14
Questi batteri di Streptococcus pyogenes combattono i virus utilizzando una difesa che permette loro di ritagliare il DNA. Questo sistema, denominato CRISPR, viene ora sfruttato per curare malattie genetiche umane.

Il mese scorso nella Silicon Valley, le biologhe Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier si sono presentate in abito da sera per ricevere i $3 milioni del Breakthrough Proze, uno sfarzoso premio allestito da miliardari dell’Internet quali Mark Zuckerberg.

Hanno vinto per aver sviluppato il CRISPR-Cas9, “una potente tecnologia generale” per editare i genomi che è stata acclamata come sensazionale passo in avanti nella biotecnologia.

A non essersi vestito per l’occasione è stato Feng Zhang (vedi “La ricerca genomica farà chiarezza su diversi tipi di malattie mentali“), un ricercatore del MIT-Harvard Broad Institute di Cambridge. Sempre quest’anno, però, Zhang ha ottenuto il suo premio. Nel mese di aprile, infatti, si è assicurato un ampio brevetto sul CRISPR-Cas9 che potrebbe garantire a lui ed alla sua ricerca un controllo centrale su pressappoco qualunque applicazione commerciale di rilievo della tecnologia.

Come hanno fatto il vistoso premio per il CRISPR e il brevetto a finire in mani differenti?

Questa è una domanda che si trova ora al centro di un acceso dibattito su chi avrebbe inventato cosa, e quando, che coinvolge tre startup pesantemente finanziate, una mezza dozzina di università e migliaia di pagine di documenti legali.

“La proprietà intellettuale in questo spazio è alquanto complessa, a essere sinceri”, ha detto Rodger Novak, un ex dirigente dell’industria farmaceutica che ora è CEO della CRISPR Therapeutics, una startup di Basilea, in Svizzera, che è stata co-fondata dalla Charpentier. “Tutti sono al corrente di queste rivendicazioni conflittuali”.

Sono in gioco i diritti su un’invenzione che potrebbe essere la più importante tecnica di ingegneria genetica mai realizzata dagli inizi dell’era della biotecnologia negli anni ’70. Il sistema CRISPR, soprannominato “funzione di ricerca e sostituzione” del DNA, permette agli scienziati di disabilitare con facilità i geni o di modificarne la funzione sostituendo le lettere del DNA. Negli ultimi mesi, gli scienziati hanno mostrato che è possibile utilizzare il CRISPR per liberare i topi dalla distrofia muscolare, curarli da una rara malattia al fegato, rendere le cellule umane immuni al HIV e modificare geneticamente le scimmie (vedi “Chirurgia genomica” e “Editing genomico“).

Non esiste ancora un farmaco CRISPR, ma se il CRISPR si dovesse rivelare tanto importante quanto sperato dagli scienziati, il controllo commerciale sulla tecnologia sottostante potrebbe valere miliardi.

Il controllo dei brevetti è cruciale per diverse startup che insieme hanno rapidamente raccolto più di $80 milioni per convertire il CRISPR in cure per malattie devastanti.

La Editas Medicine e la Intellia Therapeutics, che hanno entrambe sede a Cambridge, nel Massachusetts, sono solamente due di queste società a sostenere che i test clinici potrebbero già cominciare nel giro di tre anni.

Zhang ha co-fondato la Editas Medicine, e questo mese la startup ha annunciato di aver registrato il brevetto del Broad Institute. La Editas, però, non ha il controllo totale sul CRISPR perché anche la Doudna, una biologa strutturale dell’Università della California, a Berkeley, era stata co-fondatrice della società. Da quando è stato riconosciuto il brevetto di Zhang, la Doudna ha lasciato la società, e la sua proprietà intellettuale – nella forma di un suo brevetto – è finita all’interno della Intellia, una startup competitrice che è stata presentata solo il mese scorso. A peggiorare le cose, la Charpentier ha venduto i suoi diritti per la stessa applicazione di brevetto alla CRISPR Therapeutics.

In una e-mail, la Doudna ha detto di non avere più alcun legame con la Editas. “A questo punto non faccio più parte del team di quella società”, ha detto, rifiutandosi di rispondere a ulteriori domande ma accennando la disputa sul brevetto.

Sono pochi i ricercatori disposti a parlare di questa lotta di brevetti. Le cause legali sono certe, e il timore è che qualunque cosa dicano possa essere utilizzata contro di lor in tribunale. “La tecnologia ha destato grande scalpore, e creato una certa tensione. Cosa fare? Che tipo di società vogliamo?” chiede Charpentier. “è tutto molto confusionale per un estraneo, e lo è persino anche per chi è direttamente coinvolto”.

I laboratori accademici non stanno aspettando che le rivendicazioni sui brevetti vengano risolte. Piuttosto, stanno affrettandosi per formare team ingegneristici molto grandi attraverso i quali perfezionare e migliorare questa tecnica di editing del genoma. Nel campus della scuola medica di Harvard, ad esempio, George Church, uno specialista in tecnologie genomiche, dice di aver messo al lavoro 30 persone su questa tecnologia.

Secondo Zhang, a causa di tutte le nuove ricerche, l’importanza di qualunque brevetto, incluso il suo, non è del tutto chiara. “è un pezzo importante, ma non presto veramente attenzione ai brevetti”, dice. “La forma finale di questa tecnologia in grado di cambiare la vita delle persone potrebbe essere ben diversa”.

Il mese scorso, Dick Costolo (a sinistra), CEO di Twitter, e l’attrice Cameron Diaz hanno consegnato il Breakthrough Prize alle biologhe Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier a Mountain View, California. Entrambe hanno vinto $3 milioni.

Il nuovo sistema di editing del genoma è stato scoperto nei batteri – organismi che lo utilizzano per identificare e ritagliare il DNA di virus aggressori. La ricerca si è diffusa per un decennio. Nel 2012, infine, un piccolo team di ricercatori guidato da Doudna e Charpentier ha pubblicato un documento chiave all’interno del quale veniva descritto come convertire questo meccanismo naturale in uno strumento “programmabile” con il quale ritagliare un qualunque filone di DNA, almeno in provetta.

Il passaggio successivo era chiaro – gli scienziati avrebbero dovuto scoprire se questo trucco poteva funzionare anche per il genoma delle cellule umane. Nel gennaio del 2013, il laboratorio Church di Harvard e quello di Zhang sono stati i primi a pubblicare un documento in cui veniva data risposta positiva a questa domanda. La Doudna avrebbe pubblicato i suoi risultati qualche settimana dopo.

A quel punto, ormai, tutti si erano resi conto che il CRISPR era divenuto un sistema incredibilmente flessibile per riscrivere il DNA e magari curare rari problemi metabolici e malattie genetiche diverse quali l’emofilia e la malattia neurodegenerativa di Huntington.

Gruppi di venture capital hanno rapidamente cominciato a reclutare gli scienziati principali dietro il CRISPR, presentare brevetti e fondare startup. La Charpentier si sarebbe cimentata con la CRISPR Therapeutics in Europa. Doudna aveva già avviato una piccola società di nome Caribou Biosciences, ma nel 2013 si sarebbe unita a Zhang e Church quali co-fondatori della Editas. Con i $43 milioni investiti da parte di Third Rock Ventures (vedi “50 Smartest Companies: Third Rock Ventures“), Polaris Partners e Flagship Ventures, la Editas sembrava il dream team delle startup per l’editing del genoma.

Nell’aprile di quest’anno, Zhang e la Broad si sono assicurati il primo di una serie di brevetti che coprono l’utilizzo del CRISPR negli eucarioti – o in qualunque specie di cellula contenga un nucleo (vedi “Broad Institute Gets Patent on Revolutionary Gene-Editing Method“). Questo ha comportato l’ottenimento dei diritti per utilizzare il CRISPR su topi, maiali, bestiame ed esseri umani – in sostanza, qualunque creatura all’infuori dei batteri.

Il brevetto ha destato un certo stupore, perché la Broad aveva pagato una somma extra affinché venisse revisionato rapidamente, in meno di sei mesi, e perché in pochi erano a conoscenza della sua presentazione. Assieme al brevetto sono giunte oltre 1,000 pagine di documenti. Secondo Zhang, le previsioni descritte dalla Doudna nel suo brevetto precedente, secondo le quali la sua scoperta avrebbe potuto funzionare sugli esseri umani, sarebbero state “semplici speculazioni”, mentre lui sarebbe stato il primo a dimostrare l’efficacia della tecnica in una “sorprendente” scoperta distinta.

I documenti del brevetto hanno scatenato una forte costernazione. La letteratura scientifica mostra chiaramente che diversi scienziati erano riusciti a far funzionare il CRISPR nelle cellule umane. Difatti, la sua facile riproducibilità in diversi organismi è la caratteristica più importante ed emozionante della tecnologia. Dal punto di vista dei brevetti, quindi, sarebbe dovuto risultare “ovvio” che il CRISPR avrebbe funzionato con le cellule umane, e che quindi l’invenzione di Zhang non si sarebbe meritata un brevetto simile.

Oltretutto, è in gioco la credibilità scientifica delle ricerche. Per dimostrare di essere stato “il primo a inventare” l’uso del CRISPR-Cas nelle cellule umane, Zhang ha fornito degli scatti, presi dai quaderni del laboratorio, che dimostrerebbero come il suo sistema era già in funzione all’inizio del 2012, ben prima che Doudna e Charpentier pubblicasseri i loro risultati o presentassero la domanda di brevetto. Questa timeline significherebbe che Zhang aveva scoperto indipendentemente il sistema di editing via CRISPR-Cas. In un’intervista, Zhang ha affermato di aver scoperto per conto proprio questo sistema, e di non aver appreso molto di più dallo studio dei documenti pubblicati da Doudna e Charpentier.

On tutti, però, sono convinti. “Posso solo dire che lo abbiamo fatto nel mio laboratorio assieme a Jennifer Doudna”, dice la Charpentier, oggi una professoressa presso l’Helmholtz Centre for Infection Research e la Hannover Medical School, in Germania. “è tutto molto esagerato, perché questo è uno di quei rari casi di tecnologia che può facilmente essere sviluppata dai ricercatori e che promette di cambiare la loro vita. Le cose stanno succedendo in fretta, forse troppo”.

La lotta sui brevetti non è ancora finita. Anche se la Broad si è mossa molto rapidamente, gli avvocati della Doudna e della Charpentier dovrebbero presto avviare un procedimento di interferenza negli Stati Uniti – un procedimento legale per cui l’inventore vincente potrebbe rilevare il brevetto di un altro inventore. La vittoria, in questo caso, andrà allo scienziato che saprà raccogliere e documentare registri di laboratorio, e-mail o altri documenti che presentino le date più vecchie.

“Sono certo che la situazione verrà presto chiarita”, ha detto la Charpentier. “E voglio credere che questa storia finirà bene”.(MO)

ENGLISH

00:12A few years ago, with my colleague, Emmanuelle Charpentier, I invented a new technology for editing genomes. It’s called CRISPR-Cas9. The CRISPR technology allows scientists to make changes to the DNA in cells that could allow us to cure genetic disease.

00:32You might be interested to know that the CRISPR technology came about through a basic research project that was aimed at discovering how bacteria fight viral infections. Bacteria have to deal with viruses in their environment, and we can think about a viral infection like a ticking time bomb — a bacterium has only a few minutes to defuse the bomb before it gets destroyed. So, many bacteria have in their cells an adaptive immune system called CRISPR, that allows them to detect viral DNA and destroy it.

01:04Part of the CRISPR system is a protein called Cas9, that’s able to seek out, cut and eventually degrade viral DNA in a specific way. And it was through our research to understand the activity of this protein, Cas9, that we realized that we could harness its function as a genetic engineering technology — a way for scientists to delete or insert specific bits of DNA into cells with incredible precision — that would offer opportunities to do things that really haven’t been possible in the past.

01:42The CRISPR technology has already been used to change the DNA in the cells of mice and monkeys,other organisms as well. Chinese scientists showed recently that they could even use the CRISPR technology to change genes in human embryos. And scientists in Philadelphia showed they could use CRISPR to remove the DNA of an integrated HIV virus from infected human cells.

02:09The opportunity to do this kind of genome editing also raises various ethical issues that we have to consider, because this technology can be employed not only in adult cells, but also in the embryos of organisms, including our own species. And so, together with my colleagues, I’ve called for a global conversation about the technology that I co-invented, so that we can consider all of the ethical and societal implications of a technology like this.

02:39What I want to do now is tell you what the CRISPR technology is, what it can do, where we are todayand why I think we need to take a prudent path forward in the way that we employ this technology.

02:54When viruses infect a cell, they inject their DNA. And in a bacterium, the CRISPR system allows that DNA to be plucked out of the virus, and inserted in little bits into the chromosome — the DNA of the bacterium. And these integrated bits of viral DNA get inserted at a site called CRISPR. CRISPR stands for clustered regularly interspaced short palindromic repeats. (Laughter)

03:24A big mouthful — you can see why we use the acronym CRISPR. It’s a mechanism that allows cells to record, over time, the viruses they have been exposed to. And importantly, those bits of DNA are passed on to the cells’ progeny, so cells are protected from viruses not only in one generation, but over many generations of cells. This allows the cells to keep a record of infection, and as my colleague, Blake Wiedenheft, likes to say, the CRISPR locus is effectively a genetic vaccination card in cells. Once those bits of DNA have been inserted into the bacterial chromosome, the cell then makes a little copy of a molecule called RNA, which is orange in this picture, that is an exact replicate of the viral DNA. RNA is a chemical cousin of DNA, and it allows interaction with DNA molecules that have a matching sequence.

04:24So those little bits of RNA from the CRISPR locus associate — they bind — to protein called Cas9, which is white in the picture, and form a complex that functions like a sentinel in the cell. It searches through all of the DNA in the cell, to find sites that match the sequences in the bound RNAs. And when those sites are found — as you can see here, the blue molecule is DNA — this complex associates with that DNA and allows the Cas9 cleaver to cut up the viral DNA. It makes a very precise break. So we can think of the Cas9 RNA sentinel complex like a pair of scissors that can cut DNA — it makes a double-stranded break in the DNA helix. And importantly, this complex is programmable, so it can be programmed to recognize particular DNA sequences, and make a break in the DNA at that site.

05:26As I’m going to tell you now, we recognized that that activity could be harnessed for genome engineering, to allow cells to make a very precise change to the DNA at the site where this break was introduced. That’s sort of analogous to the way that we use a word-processing program to fix a typo in a document.

05:48The reason we envisioned using the CRISPR system for genome engineering is because cells have the ability to detect broken DNA and repair it. So when a plant or an animal cell detects a double-stranded break in its DNA, it can fix that break, either by pasting together the ends of the broken DNA with a little, tiny change in the sequence of that position, or it can repair the break by integrating a new piece of DNA at the site of the cut. So if we have a way to introduce double-stranded breaks into DNA at precise places, we can trigger cells to repair those breaks, by either the disruption or incorporation of new genetic information.

So if we were able to program the CRISPR technology to make a break in DNA at the position at or near a mutation causing cystic fibrosis, for example, we could trigger cells to repair that mutation.

06:51Genome engineering is actually not new, it’s been in development since the 1970s. We’ve had technologies for sequencing DNA, for copying DNA, and even for manipulating DNA. And these technologies were very promising, but the problem was that they were either inefficient, or they were difficult enough to use that most scientists had not adopted them for use in their own laboratories, or certainly for many clinical applications. So, the opportunity to take a technology like CRISPR and utilize it has appeal, because of its relative simplicity. We can think of older genome engineering technologiesas similar to having to rewire your computer each time you want to run a new piece of software,whereas the CRISPR technology is like software for the genome, we can program it easily, using these little bits of RNA.

07:53So once a double-stranded break is made in DNA, we can induce repair, and thereby potentially achieve astounding things,like being able to correct mutations that cause sickle cell anemia or cause Huntington’s Disease.

 I actually think that the first applications of the CRISPR technology are going to happen in the blood, where it’s relatively easier to deliver this tool into cells, compared to solid tissues.

08:22Right now, a lot of the work that’s going on applies to animal models of human disease, such as mice.The technology is being used to make very precise changes that allow us to study the way that these changes in the cell’s DNA affect either a tissue or, in this case, an entire organism.

08:42Now in this example, the CRISPR technology was used to disrupt a gene by making a tiny change in the DNA in a gene that is responsible for the black coat color of these mice. Imagine that these white mice differ from their pigmented litter-mates by just a tiny change at one gene in the entire genome, and they’re otherwise completely normal. And when we sequence the DNA from these animals, we find that the change in the DNA has occurred at exactly the place where we induced it, using the CRISPR technology.

09:18Additional experiments are going on in other animals that are useful for creating models for human disease, such as monkeys. And here we find that we can use these systems to test the application of this technology in particular tissues, for example, figuring out how to deliver the CRISPR tool into cells.We also want to understand better how to control the way that DNA is repaired after it’s cut, and also to figure out how to control and limit any kind of off-target, or unintended effects of using the technology.

09:55I think that we will see clinical application of this technology, certainly in adults, within the next 10 years.

I think that it’s likely that we will see clinical trials and possibly even approved therapies within that time,which is a very exciting thing to think about. And because of the excitement around this technology,there’s a lot of interest in start-up companies that have been founded to commercialize the CRISPR technology, and lots of venture capitalists that have been investing in these companies.

10:30But we have to also consider that the CRISPR technology can be used for things like enhancement.Imagine that we could try to engineer humans that have enhanced properties, such as stronger bones,or less susceptibility to cardiovascular disease or even to have properties that we would consider maybe to be desirable, like a different eye color or to be taller, things like that. “Designer humans,” if you will. Right now, the genetic information to understand what types of genes would give rise to these traits is mostly not known. But it’s important to know that the CRISPR technology gives us a tool to make such changes, once that knowledge becomes available.

11:17This raises a number of ethical questions that we have to carefully consider, and this is why I and my colleagues have called for a global pause in any clinical application of the CRISPR technology in human embryos, to give us time to really consider all of the various implications of doing so. And actually, there is an important precedent for such a pause from the 1970s, when scientists got together to call for a moratorium on the use of molecular cloning, until the safety of that technology could be tested carefully and validated.

11:54So, genome-engineered humans are not with us yet, but this is no longer science fiction. Genome-engineered animals and plants are happening right now. And this puts in front of all of us a huge responsibility, to consider carefully both the unintended consequences as well as the intended impacts of a scientific breakthrough.

12:21Thank you.

12:22(Applause)

12:30(Applause ends)

12:32Bruno Giussani: Jennifer, this is a technology with huge consequences, as you pointed out. Your attitude about asking for a pause or a moratorium or a quarantine is incredibly responsible. There are, of course, the therapeutic results of this, but then there are the un-therapeutic ones and they seem to be the ones gaining traction, particularly in the media. This is one of the latest issues of The Economist — “Editing humanity.” It’s all about genetic enhancement, it’s not about therapeutics. What kind of reactions did you get back in March from your colleagues in the science world, when you asked or suggested that we should actually pause this for a moment and think about it?

13:12Jennifer Doudna: My colleagues were actually, I think, delighted to have the opportunity to discuss this openly. It’s interesting that as I talk to people, my scientific colleagues as well as others, there’s a wide variety of viewpoints about this. So clearly it’s a topic that needs careful consideration and discussion.

13:28BG: There’s a big meeting happening in December that you and your colleagues are calling, together with the National Academy of Sciences and others, what do you hope will come out of the meeting, practically?

13:38JD: Well, I hope that we can air the views of many different individuals and stakeholders who want to think about how to use this technology responsibly. It may not be possible to come up with a consensus point of view, but I think we should at least understand what all the issues are as we go forward.

13:56BG: Now, colleagues of yours, like George Church, for example, at Harvard, they say, “Yeah, ethical issues basically are just a question of safety. We test and test and test again, in animals and in labs, and then once we feel it’s safe enough, we move on to humans.” So that’s kind of the other school of thought, that we should actually use this opportunity and really go for it. Is there a possible split happening in the science community about this? I mean, are we going to see some people holding back because they have ethical concerns, and some others just going forward because some countries under-regulate or don’t regulate at all?

14:28JD: Well, I think with any new technology, especially something like this, there are going to be a variety of viewpoints, and I think that’s perfectly understandable. I think that in the end, this technology will be used for human genome engineering, but I think to do that without careful consideration and discussionof the risks and potential complications would not be responsible.

14:53BG: There are a lot of technologies and other fields of science that are developing exponentially, pretty much like yours. I’m thinking about artificial intelligence, autonomous robots and so on. No one seems — aside from autonomous warfare robots — nobody seems to have launched a similar discussion in those fields, in calling for a moratorium. Do you think that your discussion may serve as a blueprint for other fields?

15:18JD: Well, I think it’s hard for scientists to get out of the laboratory. Speaking for myself, it’s a little bit uncomfortable to do that. But I do think that being involved in the genesis of this really puts me and my colleagues in a position of responsibility. And I would say that I certainly hope that other technologieswill be considered in the same way, just as we would want to consider something that could have implications in other fields besides biology.

15:44BG: Jennifer, thanks for coming to TED.

15:46JD: Thank you.

15:48(Applause)

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