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| Milestones in Genomic Sequencing |
A 20 anni dal primo genoma...
Cari ragazzi era il 2000 e l'intera comunità scientifica era in fermento in attesa della pubblicazione della prima bozza del genoma umano. Il Progetto Genoma Umano
era sul punto di dare i suoi primi risultati dopo uno sforzo decennale, che aveva visto scienziati statunitensi, inglesi, giapponesi, francesi, tedeschi e cinesi in prima linea nel
sequenziamento delle basi del DNA umano, tre miliardi di nucleotidi (A, T, G, C), che contengono l'informazione genetica della nostra specie.
Dalla pubblicazione di quel risultato storico, sono trascorsi 20 anni,
durante i quali sono stati fatti passi da gigante in biologia molecolare.
Da allora il sequenziamento del DNA è diventato uno degli strumenti più utili in biologia molecolare e medicina.
È grazie alla facilità con cui riusciamo
a sequenziare i genomi se oggi siamo riusciti ad avere diversi vaccini contro il SARS-CoV-2 in meno di un anno, un'impresa scientifica storica. Le potenzialità di questa
tecnologia furono chiare fin dal primo metodo di sequenziamento proposto nel 1977 da Walter Gilbert e Frederick Sanger,
i quali vinsero il premio Nobel solo tre anni dopo, nel 1980. Alla fine degli anni '80 i sequenziatori automatici potevano leggere circa mille basi al giorno. Ma la vera rivoluzione
doveva ancora cominciare. Oggi le tecnologie più avanzate permettono il sequenziamento di un intero genoma umano in un giorno con una spesa di meno di mille euro.
Il Progetto Genoma Umano sequenziò 3 miliardi di basi in dieci anni con una spesa di tre miliardi di euro!
È stato calcolato che il Progetto Genoma Umano ha avuto un rientro di circa 800 miliardi di euro e ha dato inizio alla cosiddetta Big Science
in biologia. Iniziarono nel settore biologico progetti mondiali portati avanti da consorzi pubblici internazionali, un po' come accadeva già in fisica. La
tecnologia e l'informatica divennero indispensabili anche in biologia, così come lo erano da tempo in altre discipline scientifiche come, appunto, la fisica.
Tra il 2000 e il 2004 vennero pubblicati i primi genomi: quello del moscerino della frutta, la Drosophila melanogaster, della pianta modello Arabidopsis thaliana, del
topo Mus musculus e di Homo sapiens. Ad eccezione di ques'ultimo, si trattava di organismi modello, cioè ampiamente utilizzati in laboratorio.
Si capì, però, ben presto che un genoma soltanto non era sufficiente per utilizzare i dati ottenuti dal sequenziamento nella ricerca applicata
in medicina, biologia evolutiva ed ecologia.
La diversità genetica, infatti, è il materiale primo per l'evoluzione biologica, ma anche il segreto per capire il funzionamento degli organismi viventi.
In particolare, è di fondamentale importanza per la cosiddetta medicina personalizzata o di precisione.
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| Milestones in Genomic Sequencing |
In questi venti anni trascorsi dalla pubblicazione del primo genoma, la ricerca in biologia molecolare si è dunque concentrata nell'inclusione della diversità genetica
delle specie nei grandi progetti genoma. Ecco quindi che nel 2004 parte la metagenomica per lo studio di intere comunità microbiche nel loro ambiente naturale.
Questo tipo di studi non solo ha portato alla scoperta di una biodiversità di cui non si sospettava l'esistenza nelle comunità microbiche, ma ha anche
aperto la strada all'identificazione di nuovi antibiotici e farmaci.
Mentre il ritmo di sequenziamento aumentava giorno dopo giorno, tra il 2004 e il 2008 si capì che conoscere la sequenza delle lettere del DNA non portava immediatamente alla
scoperta delle funzioni del DNA. Era necessario inserire un ulteriore livello di complessità. Nuove tecnologie per studiare la struttura della cromatina e dell'
espressione differenziale dei geni nei vari tessuti e nei diversi momenti dello sviluppo di un organismo aprirono la strada alla comprensione della complessità
molecolare della genetica. Anche se la sequenza delle basi di due individui è la stessa, i loro fenotipi possono essere diversi per differenze nell'espressione dei geni e
negli stimoli ambientali, interni ed esterni, che l'organismo subisce e a cui risponde. Questa complessità fu ben descritta nel 2008 nel caso dei tumori.
Il sequenziamento di migliaia di geni in decine e decine di tumori mise in evidenza che esistono molte più mutazioni di quelle che si pensava all'interno delle
popolazioni di cellule tumorali. È così iniziata l'era del sequenziamento in serie dei tumori per scoprire marcatori efficaci, che permettano, per esempio, una
diagnosi sempre più precoce e cure personalizzate.
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| Milestones in Genomic Sequencing |
Dal 2009 al 2020, grazie a tecnologie di sequenziamento, caratterizzazione della cromatina e dell'espressione genica sempre più all'avanguardia, sono stati portati avanti
altri imponenti progetti, noti come ENCODE, Pangenomics e Platinum genome. Questi mirano a fornire una lista completa di tutti i geni
e gli alleli di un dato organismo. L'obiettivo è ambizioso, ma è possibile. Abbiamo l'opportunità di usare una mole enorme di dati genetici per fare progressi
in medicina, in campo agronomico, alimentare, ambientale e affrontare, per esempio, problemi cronici e spaventosi come la fame nel mondo. È tempo di farlo!
Anche la ricerca di base ha tratto vantaggio dal progresso delle tecniche di sequenziamento.
In questi ultimi dieci anni, si è riusciti a sequenziare il
genoma dell'uomo di Neanderthal e a ricostruire gli scambi genetici avvenuti decine di migliaia di anni fa tra le prime specie di ominini
(leggi anche DNA sulla scena della nostra evoluzione! e
Homo sapiens: tutta una serie di circostanze).
Infine, è importante ricordare che i progressi in biologia molecolare degli ultimi vent'anni sono quelli che ci forniscono
gli strumenti adatti per fronteggiare la pandemia da coronavirus, seguendo quotidianamente le sue mutazioni e, quindi, la sua evoluzione.
Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)