La pandemia da COVID-19 ha portato alla ribalta termini scientifici come "sequenziamento genomico" e "proteina spike". Ma cosa significano realmente questi termini e qual è la loro importanza?
Sequenza del Genoma: Perché è Così Importante
Il genoma è l’insieme completo dei geni di un organismo. Questi geni contengono le istruzioni su come produrre le proteine, molecole che svolgono tutte le varie funzioni che mantengono vitali un organismo e che intervengono in tutti i processi, a partire dalla costruzione delle sue cellule fino alla gestione delle reazioni chimiche che producono energia. I geni sono costituiti da lunghi filamenti di DNA e il sequenziamento genomico consiste nel determinare l’ordine in cui appaiono le molecole che compongono il genoma.
Queste molecole sono cose conosciute come acidi nucleici. Sono simili a mattoncini e sono di quattro tipologie diverse: adenina, guanina, citosina e timina. L’intero genoma è composto da questi quattro mattoncini e le loro diverse combinazioni determinano come vengono create le proteine nel vostro corpo. La sequenza del genoma è il set di istruzioni per ogni forma di vita.
Questa tecnologia è stata fondamentale per comprendere il comportamento del Sars Cov 2 coronavirus e per identificare tutte le sue numerose varianti. Una delle primissime cose, infatti, che si fa quando si trovano nuove varianti è studiare il genoma e cercare di capire partendo da questo come sarà e come si comporterà il virus.
Sequenziamento Genomico: Un Potenziale di Crescita Enorme
Dopo decenni in cui il sequenziamento genomico è stato confinato entro gli angusti limiti dei laboratori di ricerca, queste tecnologie stanno rapidamente diventando mature e pronte per applicazioni commerciali. La tecnologia di sequenziamento genomico è oggi in grado di migliorare il nostro approccio a molte malattie e perfino a migliorare la speranza di vita degli individui.
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Il sequenziamento dell’intero genoma può aiutarci a capire meglio quelle malattie che sono causate dal cattivo funzionamento di più geni diversi. Inoltre, la profilazione genetica è uno dei migliori strumenti che conosciamo per fare sia prevenzione, sia cure mirate o su misura.
Fino a pochi anni fa la sintetizzazione del DNA era una procedura estremamente complessa. Oggi, addirittura sul web, è possibile quotare e ordinare delle sequenze di DNA artificiale che ci possono essere consegnate a domicilio. Twist Bioscence è l’impresa che offre questi servizi e che sul suo sito dichiara di essere un’impresa che rafforza la nuova bioeconomia.
Il Sequenziamento di Nuova Generazione
Il sequenziamento di nuova generazione è stato portato avanti da Fred Sanger e nel Progetto Internazionale Genoma Umano che, vent’anni fa, ha determinato la primissima sequenza di un genoma umano. Oggi il costo del sequenziamento si è ridotto immensamente.
I sistemi che usano tecnologie avanzate di sequenziamento riescono a sequenziano un genoma umano in un mese e il costo di sequenziamento di un genoma è sceso al di sotto dei 1.000 dollari e ci sono tutte le condizioni per far rapidamente scendere sia i tempi, sia i costi. Questo grazie ai nuovi metodi di sequenziamento veloce che organizzano miliardi di sequenza diverse su una superficie per poi sequenziarle tutte contemporaneamente in parallelo. Così facendo si ottiene un enorme vantaggio in termini di velocità, capacità, e costi.
Ciò ha reso possibile ed accessibile a tutti la medicina personalizzata, ossia un “approccio globale alla prevenzione, alla diagnosi, alla cura e al monitoraggio delle malattie basato sulle caratteristiche, genetiche e non solo, di una persona”.
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La medicina personalizzata viene oggi già applicata nelle cure oncologia. Infatti, dal sequenziamento genico si possono ottenere delle terapie mirate e personalizzate.
La Biologia Sintetica
Come conseguenza di questi studi e di queste innovazioni oggi è possibile parlare di biologia sintetica che è costituita da un approccio multidisciplinare che mette insieme, chimica, biofisica, biologia e ingegneria. L’idea che sta alla base è quella di utilizzare e imitare le strutture metaboliche degli organismi viventi più semplici per costruire circuiti sintetici. L’obiettivo è sicuramente molto ambizioso ed è quello di creare in maniera artificiale dei circuiti organici sintetici che possano avere tutti i vantaggi in termini, ad esempio, di resilienza e di autoregolazione che hanno gli organismi viventi.
Le applicazioni della biologia programmabili sono, quindi, già oggi, facilmente realizzabili, a costi estremamente contenuti, perché una volta ricevute le sequenze di DNA sintetico, queste possono essere inserite nelle cellule per ottenere le molecole bersaglio che il DNA è codificato per produrre. Anche i vaccini che sono stati prodotti in risposta alla pandemia hanno a monte la produzione sintetica della proteina spike del Sars Cov 2.
L’Editing Genico
L’editing genico potrebbe permettere di spegnere o accendere dei geni, andando a correggere dei difetti che sono alla base di molte malattie genetiche, ma apre anche degli interrogativi etici sugli utilizzi di queste tecnologie che, per esempio, potrebbero anche essere applicate al tentativo di sviluppare forme moderne e sofisticate di eugenetica.
La Proteina Spike: Struttura e Funzione
La proteina spike è una glicoproteina situata sulla superficie del virus SARS-CoV-2, responsabile della malattia COVID-19. Questa proteina è fondamentale per il processo di infezione, poiché permette al virus di entrare nelle cellule umane.
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La proteina spike è composta da due subunità principali: S1 e S2. La subunità S1 contiene il dominio di legame al recettore (RBD), che si attacca al recettore ACE2 delle cellule umane. Dopo il legame iniziale, la subunità S2 della proteina spike si attiva e media la fusione della membrana virale con la membrana cellulare. Questo processo è essenziale per il rilascio del materiale genetico del virus all’interno della cellula ospite, dove può iniziare la replicazione virale.
Un altro aspetto cruciale del meccanismo di azione della proteina spike è la sua capacità di evadere il sistema immunitario. Le numerose glicosilazioni presenti sulla superficie della proteina spike possono mascherare gli epitopi immunogenici, rendendo più difficile per gli anticorpi riconoscere e neutralizzare il virus.
Inoltre, le mutazioni nella proteina spike possono influenzare il suo meccanismo di azione. Alcune varianti del virus SARS-CoV-2 presentano mutazioni che aumentano la sua affinità per il recettore ACE2, rendendo il virus più trasmissibile.
Le interazioni della proteina spike con il sistema immunitario sono complesse e multifattoriali. Quando il virus SARS-CoV-2 infetta una cellula, la proteina spike viene esposta sulla superficie della cellula infetta, dove può essere riconosciuta dal sistema immunitario.
Una delle prime linee di difesa contro il virus è rappresentata dagli anticorpi neutralizzanti, che si legano alla proteina spike e impediscono al virus di entrare nelle cellule. Questi anticorpi sono prodotti dalle cellule B e sono specifici per gli epitopi presenti sulla proteina spike.
Vaccini a mRNA e la Proteina Spike
La proteina spike è il principale bersaglio dei vaccini contro il COVID-19. La maggior parte dei vaccini attualmente in uso, come quelli a mRNA (Pfizer-BioNTech e Moderna) e a vettore virale (AstraZeneca e Johnson & Johnson), è progettata per indurre una risposta immunitaria contro la proteina spike.
I vaccini a mRNA contengono istruzioni genetiche per la sintesi della proteina spike, che vengono tradotte dalle cellule umane dopo la vaccinazione. Questo processo induce una forte risposta immunitaria, con la produzione di anticorpi e l’attivazione delle cellule T.
Tuttavia, le mutazioni nella proteina spike rappresentano una sfida significativa per l’efficacia dei vaccini. Alcune varianti del virus SARS-CoV-2 presentano mutazioni che possono ridurre l’efficacia degli anticorpi indotti dai vaccini.
Tabella: Confronto tra Vaccini a mRNA e Vaccini a Vettore Virale
| Caratteristica | Vaccini a mRNA | Vaccini a Vettore Virale |
|---|---|---|
| Meccanismo | RNA messaggero con istruzioni per la proteina spike | DNA incapsulato in un virus innocuo |
| Produzione della proteina spike | Diretta nelle cellule umane | Trasformazione del DNA in mRNA e poi in proteina |
| Risposta immunitaria | Produzione di anticorpi e attivazione delle cellule T | Produzione di anticorpi e attivazione delle cellule T |
Studi di Laboratorio sulla Proteina Spike
Lo studio della proteina spike in laboratorio richiede l’uso di tecniche avanzate e interdisciplinari. Una delle principali tecniche utilizzate è la cristallografia a raggi X, che permette di determinare la struttura tridimensionale della proteina a livello atomico. La microscopia crioelettronica è un’altra tecnica cruciale per lo studio della proteina spike.
Le tecniche di biologia molecolare sono utilizzate per esprimere e purificare la proteina spike in laboratorio. Infine, i saggi di legame e i saggi di neutralizzazione sono utilizzati per valutare l’interazione della proteina spike con il recettore ACE2 e con gli anticorpi neutralizzanti.