Donne nella scienza: Rosalind Franklin

Rosalind Franklin (25 luglio 1920- 16 aprile 1958, Londra), fu una Chimica, biochimica e cristallografa britannica.

Nasce in un’influente famiglia di banchieri e politici di origine ebraica. Si iscrive al Newnham College di Cambridge, contro il volere del padre e consegue il Dottorato in chimica-fisica nel 1945. Dopo due anni trova un posto da ricercatrice nel Laboratoire Central Services Chimique de l’Etat a Parigi, dove si specializza nella diffrazione a raggi X, tecnica sfruttata per determinare la struttura molecolare e atomica di un cristallo.

Successivamente torna a Londra per studiare la struttura del DNA presso il King’s College; sarà colei che riuscirà a identificare la tipica forma B (la più frequentemente riscontrabile in condizioni standard nelle cellule) del DNA, nonché la sua densità, il contenuto in acqua e la posizione degli zuccheri nella molecola, descrivendo la peculiare struttura a doppia elica. Ottenne ai tempi immagini bellissime, tra cui la famosa “Photograph 51”. Ma nel gennaio del 1953 altri ricercatori, gli altrettanto famosi Watson e Crick, entrano in possesso, grazie a un ex collega della Franklin, Wilkins, di una copia delle foto, insieme al rapporto sulla struttura del DNA che la Franklin aveva redatto per il British Medical Council.

Da ciò, i due ricavano i dati per la convalida del modello a doppia elica che pubblicano a loro nome il 25 aprile 1953 su Nature, senza mai nominare o ringraziare la scienziata Franklin, arrivando così al Premio Nobel per la Medicina nel 1962. Dopo tali avvenimenti, la Franklin torna a Londra, al Birkbeck College, abbandonando gli studi sul DNA e iniziando a studiare l’RNA e la struttura dei virus. Qui lavora serenamente per cinque anni, pubblicando 17 lavori nelle più importanti riviste scientifiche. Il 16 aprile del 1958, alla giovane età di 38 anni, morirà per un tumore alle ovaie. Ieri era l’anniversario della sua nascita ed oggi vogliamo dedicare a Rosalind Franklin la nostra rubrica “Donne nella scienza”: un’icona senza eguali che fu in grado di svelare uno dei segreti della vita senza ottenere mai reali riconoscimenti, e che mise le sue conoscenze e competenze al servizio dell'umanità.

Cos'è la microbiologia forense?

I CSI in tuta bianca spesso sono protagonisti delle fiction poliziesche sugli schermi televisivi: ma di che cosa si occupano nella realtà?

L’intrattenimento offerto da numerosi programmi televisivi polizieschi ha permesso a molte persone di familiarizzare con le normali pratiche di medicina legale che impiegano tecniche di riconoscimento di impercettibili tracce di DNA umano per risolvere scene del crimine e identificare i responsabili di un delitto. La versione televisiva, tuttavia, è spesso riduttiva rispetto all’analisi e al grado di certezza che circonda le prove del DNA. Per questo oggi vedremo insieme quale è la disciplina di supporto alla medicina legale forense tradizionale, che ha abbattuto i limiti degli strumenti giuridici e di cui non si parla in televisione: la microbiologia forense.

Bacillus anthracis: protagonista del bioterrorismo

Nel 1993 la setta religiosa giapponese Aum Shinrikyo tentò un attacco bioterroristico nebulizzando spore del batterio Bacillus anthracis, agente eziologico dell’infezione dell’antrace,da un edificio di 8 piani, nel tentativo di provocare un’epidemia. Sfortunatamente per la setta (ma fortunatamente per chiunque altro) venne fatto un errore di valutazione: i terroristi decisero di adoperare quello che si rivelò essere un ceppo poco virulento del bacillo, che causò quindi una sintomatologia lieve e a breve termine, e non la catastrofe che Aum Shinrikyo aveva in mente. Fu questo episodio forse a segnare l’inizio di un intensificarsi dell’utilizzo di agenti biologici a fini terroristici; qualche anno dopo infatti, nel 2001, gli Stati Uniti furono protagonisti di un altro episodio, sempre avente come protagonista il Bacillus anthracis: secondo le ricostruzioni, un tale microbiologo Edward Ivins, forse aiutato da altri complici, contaminò con spore del bacillo delle lettere, per poi inviarle lungo la costa orientale americana. Anche allora, non scoppiò una disastrosa epidemia, ma si contarono comunque alcuni deceduti, e di certo l’evento mandò in stato di allerta l’intera nazione. Divenne sempre più chiaro, per i paesi di tutto il mondo, l’urgenza di prepararsi a rispondere agli attacchi bioterroristici; e di conseguenza, di sviluppare tecniche che permettessero di analizzare adeguatamente le prove. Doveva nascere una nuova branca scientifica.

Che cos’è la microbiologia forense?

La “microbial forensic” è stata definita per la prima volta nel 2003 da Bruce Budowle, Direttore Esecutivo dell’Istituto di Genetica Applicata dell'Università del North Texas, quale disciplina scientifica dedicata all’analisi delle prove di un atto bioterroristico e del rilascio involontario o allo sviluppo naturale di microrganismi pericolosi.

Le indagini forensi microbiche (vedi box) si concentrano non solo sull’individuazione e la caratterizzazione degli agenti biologici implicati nei biocrimini, ma anche sull’individuazione dei terreni di coltura utilizzati per la moltiplicazione di microrganismi pericolosi, e sui metodi di somministrazione che possono essere potenziali indizi investigativi utili a comprendere la modalità di diffusione nella popolazione.

I microrganismi, o alcune tossine da loro prodotte, rappresentano armi ideali in quanto facilmente reperibili, la loro coltivazione risulta abbastanza economica e, anche in piccole quantità, possono risultare altamente infettivi e letali .

A causa della diversità delle minacce biologiche che potrebbero essere utilizzate in un attacco bioterroristico, lo sviluppo di nuovi metodi di indagine è in costante aumento.

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Box: Le tappe salienti di un'indagine forense condotta su un agente biologico

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Solo bioterrorismo?

No, la medicina legale microbica ha un campo di applicazione decisamente più ampio.

Ricordate i CSI citati all’inizio? Questa disciplina, infatti, non indaga solo su eventi di larga scala, pericolosi per la sanità pubblica, ma è coinvolta più in piccolo anche in indagini penali e civili. Un esempio, ben antecedente agli anni 2000, è la storia dell’anestesista Juan Maeso: il medico spagnolo, infettato con l’epatite C, trasmise intenzionalmente la malattia, poiché usò gli stessi aghi per somministrare oppioidi ai propri pazienti e a se stesso. Fu proprio grazie alle tecniche di microbiologia forense che vennero accertate le dinamiche, e nel 2007 Juan Maeso venne condannato a 1993 anni di carcere. Durante le indagini, gli scienziati si servirono di analisi filogenetiche (immagine in basso) per tracciare l’evoluzione del virus dell’epatite C; ciò permise di analizzare se le infezioni fossero tra loro correlate. Nel caso di Juan Maeso, confermarono la colpevolezza dell’uomo.

Come ricostruire un albero filogenetico dei virus per capirne l'evoluzione e utilizzarlo come prova corroborante se si sospetta un'infezione (Bhattacharya, 2014).

1. I genomi possono mutare rapidamente creando diverse popolazioni microbiche nelle persone infette. 2. Sequenziando le regioni altamente variabili, gli scienziati possono costruire un albero filogenetico che suggerisce come sono correlati i microbi. 3. La parentela delle popolazioni virali può supportare o escludere ipotesi su chi ha infettato chi. 4. La diversità o somiglianza individuata può aiutare a determinare il tempo dell'infezione utilizzando il tasso di mutazione come orologio molecolare

Un ultimo esempio che vi portiamo, che può essere usato in un'indagine civile o penale come alternativa alle analisi del DNA classiche, come l’analisi delle impronte digitali o dei capelli, è rappresentata dall’analisi del microbioma. Il microbioma di ognuno di noi varia poco negli anni, ed è possibile quindi, per una finestra temporale di 3-4 anni, identificare una persona attraverso le sue feci. Non solo: il microbioma varia in base alla dieta, al tipo di lavoro, se la persona viaggia o se fa uso di sostanze farmaceutiche. Per questo l’analisi dei nostri micro-ospiti non solo è utile per identificare il colpevole, ma può garantire anche informazioni importanti per risalire al luogo in cui è avvenuto un crimine, dare indicazioni sull’ora della morte. Inoltre, risultano meno deperibili e eliminabili dei sopracitati capelli e impronte digitali, rappresentando quindi una risorsa importante nel tempo.

La microbiologia forense è in continua evoluzione, così le tecniche di cui ci si serve in questa branca diventano sempre più affidabili. Ed è bene sia così: non dimentichiamo che vista la sua applicazione, i risultati dei test di laboratorio sono fondamentali per le indagini, e anzi possono fare da ago della bilancia per condannare o scagionare un imputato.

Giorgia Scardella

Terapia genica: passato, presente e futuro

Nell’ultimo decennio il mondo della scienza ha assistito al trionfo della terapia genica e cellulare: nuovi farmaci per disturbi fino a pochi anni fa incurabili sono stati infatti approvati con successo dopo anni di duro lavoro. Queste terapie hanno lo scopo di curare diverse indicazioni cliniche e target tissutali, come ad esempio malattie genetiche rare e cancro.

L’approvazione di questi farmaci non solo ha modo di cambiare la vita dei pazienti colpiti, ma, con il suo impatto, offre anche la possibilità di aumentare l’interesse e i fondi per sviluppare trattamenti per molte altre condizioni che ancora oggi affliggono gravemente molte persone.

Considerando queste premesse, è interessante capire la storia di questa branca dell’ingegneria genetica, al fine di capire in modo siamo arrivati al punto in cui ci troviamo oggi.

Cos'è la terapia genica?

La terapia genica è una strategia terapeutica che ha l’obiettivo di trattare le patologie mirando direttamente ai difetti genetici che le causano. Molte malattie infatti sono dovute alla presenza di un gene mutato, il quale provoca una mancata produzione di una proteina o un suo malfunzionamento; la terapia genica può essere in grado di introdurre una copia normale di tale gene per ripristinare la normale funzione della proteina d’interesse.

Un po' di storia

Il concetto di terapia genica nasce alla fine degli anni ‘80 con lo sviluppo delle nuove tecniche del DNA ricombinante, tecniche che permettono di costruire pezzi di DNA contenenti sequenze geniche desiderate. L’approccio alla base di questo tipo di terapie è di fornire all’organismo una copia corretta del gene difettoso o, in alternativa, di un altro gene che possa compensarne il malfunzionamento.

Vettori

Non si può inserire direttamente un gene in una cellula: è necessario utilizzare un vettore geneticamente modificato contenente il gene di interesse. A questo scopo vengono utilizzati plasmidi, nanovettori e virus. Questi ultimi sono utilizzati più frequentemente nella terapia genica, perché possono fornire il nuovo gene alle cellule d’interesse semplicemente sfruttando i meccanismi propri del virus di aderire alla superficie cellulare e rilasciare il proprio materiale genetico in essa. A questo fine, ovviamente, tali vettori virali sono modificati in modo da non essere patogeni. Tra le tipologie virali più utilizzate vi sono retrovirus, lentivirus, e adenovirus. La somministrazione può avvenire sia “in vivo” che “ex vivo”: nel primo caso, il gene modificato viene somministrato direttamente nell’organismo del paziente, mediante un’iniezione per via locale o per via sistemica. Nel secondo caso, invece, la correzione avviene all’esterno dell’organismo del paziente: le cellule bersaglio vengono prelevate dal paziente, modificate geneticamente e reintrodotte nel paziente stesso successivamente.

La terapia genica è una strategia terapeutica che ha l’obiettivo di trattare le patologie mirando direttamente ai difetti genetici che le causano

Il caso di Jessie Gelsinger

Sono molti i successi di questo approccio terapeutico, ma purtroppo nella storia non sono mancati episodi drammatici: è famoso infatti il caso di Jessie Gelsinger, un diciottenne affetto da una forma lieve di deficit di ornitina-transcarbamilasi (OTCD), una epatopatia ereditaria, che nel 1999 morì nel corso di una sperimentazione per una violentissima reazione immunitaria nei confronti del vettore che avrebbe dovuto curarlo. Nelle settimane successive alla sua morte si scoprirono preoccupanti falle nella conduzione dello studio: in particolare sembra che i risultati del test preliminare per includere il ragazzo in questa ricerca avevano evidenziato una scarsa funzionalità epatica, ad indicazione del fatto che probabilmente sarebbe stato meglio escluderlo dal trial clinico.

Questo insuccesso portò da una parte ad una sfiducia in queste terapie e conseguentemente ad un crollo degli investimenti nel settore; dall'altra, furono imposte regole nuove e più severe per le sperimentazioni sull’uomo, permettendo così ai ricercatori di sperimentare e valutare vettori virali più sicuri. Tra questi i citati lentivirus e adenovirus, per lo più innocui per l’uomo.

Terapia per malattie rare

Ci sono, però, anche buone notizie: questa strategia oggi è alla base di una cura per i malati di ADA-SCID, malattia rara che colpisce un bambino ogni 200 mila nati e che porta ad un mancato sviluppo del sistema immunitario per un deficit nella produzione dell’enzima adenosina-deaminasi (ADA) codificato da un omonimo gene. L’ADA-SCID è ancora oggi una condizione spesso fatale entro il primo anno di vita. I primi studi con terapia genica risalgono agli anni ’90, quando gli statunitensi Anderson e Blaise curarono una bambina malata di ADA-SCID correggendo direttamente il DNA dei linfociti T della piccola paziente: il perfezionamento delle tecniche utilizzate ha portato poi, nel 2016, all’approvazione da parte dell’Agenzia europea per i medicinali di una vera e propria cura, chiamata Strimvelis.

La terapia in questione consiste nel prelievo dal midollo osseo di cellule staminali del sangue, le quali vengono successivamente modificate in laboratorio. La correzione avviene attraverso l’inserimento del gene corretto immesso in un vettore virale, in particolare viene utilizzato un retrovirus, il quale è in grado di integrarsi nell’organismo ospite. Una volta modificate, le staminali vengono infuse nuovamente nel paziente affinché possano svolgere la loro normale funzione.

Strade future

Il potenziale della terapia genica è alto: potrebbe rappresentare una cura definitiva per molte gravissime malattie per cui oggi non esistono valide opzioni terapeutiche. Ad oggi la ricerca nell’ambito della terapia genica spazia dalle malattie genetiche rare, alle malattie autoimmuni e infettive, ma anche al cancro.

La terapia genica potrebbe essere la cura definitiva per molte patologie di cui ad oggi non esiste terapia

Lo sviluppo di tecnologie che si basano sul controllo della somministrazione di acidi nucleici, sulla modulazione del sistema immunitario e sulla manipolazione precisa del genoma umano - tecnologie non lontanamente immaginabili dieci anni fa - è a livelli senza precedenti. Queste innovazioni saranno probabilmente in grado di sbloccare nuove aree della medicina nei prossimi anni. Allo stesso tempo, la terapia genica ha ispirato aree di ricerca completamente nuove, come la biologia sintetica, la riprogrammazione cellulare e la genomica funzionale ad alto rendimento, che senza dubbio continueranno a rimodellare il volto della ricerca biomedica.

Bisogna tener conto che le tecnologie della terapia genica sono ancora largamente sperimentali, e pongono quindi un importante problema di sicurezza per i pazienti. Inoltre, vi sono anche delle problematiche etiche: mentre l’utilizzo della terapia genica è condivisibile e accettato quando lo scopo è quello di consentire la sopravvivenza o di migliorare le condizioni di salute di pazienti affetti da malattie invalidanti, appare oggi evidente che le medesime tecnologie possano anche essere utilizzate in futuro per il miglioramento cosmetico o delle prestazioni individuali, ad esempio quelle sportive.

Nicole Pavoncello