Una piattaforma tecnologica che consente di sostituire interi cromosomi umani con una fedeltà senza precedenti. Ne parliamo con Gianluca Petris, ricercatore della Fondazione Italiana Fegato
Per la prima volta è stato possibile trasferire, modificare e sostituire interi cromosomi umani mantenendone l’integrità strutturale e la fedeltà genomica. Il risultato, pubblicato su Science, è frutto del lavoro di un consorzio internazionale di ricercatori del MRC Laboratory of Molecular Biology e del Wellcome Sanger Institute di Cambridge, guidato da Gianluca Petris, oggi Principal Investigator della Genome Engineering & Biotechnology Unit della Fondazione Italiana Fegato e docente all’Università di Udine. Lo studio rappresenta una svolta per la biologia sintetica e generativa, e apre prospettive inedite per le terapie avanzate, consentendo ad esempio di superare i limiti dell’editing genetico tradizionale. Gianluca Petris ci ha spiegato i passaggi chiave del lavoro e delineato le implicazioni future per la ricerca biomedica.
Professor Petris, si parla di svolta. Cosa cambia rispetto agli approcci del passato e perché questo risultato era considerato irrealizzabile fino a pochi anni fa?
La pubblicazione su Science rappresenta una svolta scientifica e biotecnologica da diversi punti di vista. In primo luogo, è il primo esempio sperimentale di un piano integrato che, se applicato su scala, può consentire la costruzione di cromosomi - e, in prospettiva, di genomi complessi inclusi quelli umani - sintetici. Questo lavoro definisce un’infrastruttura sperimentale sufficientemente accurata e concreta per la biologia sintetica a scala cromosomica. Inoltre, introduce una nuova tecnica per trapiantare cromosomi (ne avevamo già parlato qui e qui) umani interi, isolandoli fisicamente al di fuori della cellula e trasferendoli in cellule diverse.
Un altro aspetto chiave riguarda il superamento dei limiti storici del trapianto cromosomico. Abbiamo razionalizzato e semplificato l’unica tecnica precedentemente disponibile, utilizzata da circa cinquant’anni, basata sulla formazione di microcellule. Era un approccio complesso, lento e fortemente stressante per le cellule, noto per compromettere l’integrità del DNA. Tutti problemi che volevamo eliminare.
Il cambio di paradigma è però anche concettuale. In primis, ci aspettiamo che questo studio cambi la percezione del trapianto di cromosomi, grazie ai processi di validazione che abbiamo condotto sui danni ai cromosomi trasferiti o alla cellula ricevente. Abbiamo anche completato l’intero ciclo del trapianto cromosomico dimostrando anche l’eliminazione del cromosoma endogeno sovrannumerario tramite CRISPR. Infine, abbiamo scoperto che i telomeri, ovvero le estremità cromosomiche (fondamentali per la stabilità del genoma e nei processi di invecchiamento), si adattano all’ambiente cellulare e, in particolare, alla specie della cellula ospite. Questo è stata la modifica più significativa osservata.
Si passa dall’idea di correggere singoli geni o mutazioni puntiformi a quella di poter lavorare sull’unità cromosomica come oggetto ingegneristico. È un passaggio analogo a quello già vissuto dalla biologia sintetica nei microrganismi, ma che per la prima volta viene dimostrato, in modo controllato e ad alta fedeltà, su cromosomi umani.
Come funziona, in concreto, il trasferimento e la sostituzione di un cromosoma umano?
Il processo non consiste in un singolo passaggio, ma in un ciclo tecnologico completo, progettato per consentire il trasferimento, l’ingegnerizzazione e la sostituzione controllata di cromosomi interi.
Il primo step è il trasferimento del cromosoma umano isolato. Nel nostro approccio il cromosoma viene isolato al di fuori della cellula donatrice e successivamente trasferito in una cellula ricevente. Questo evita del tutto la formazione dei più classici micronuclei, spesso vere e proprie “fabbriche di mutazioni”, riducendo drasticamente il rischio di danni strutturali al DNA. Il cromosoma viene poi mantenuto e, se necessario, modificato in una cellula “fabbrica”. Abbiamo dimostrato che le cellule staminali embrionali di topo rappresentano un ambiente particolarmente adatto: il cromosoma umano trasferito è stabile, viene replicato correttamente e può essere ingegnerizzato in modo mirato.
Una volta completata questa fase, il cromosoma viene ritrasferito in cellule umane, utilizzando una versione alternativa e razionalizzata del metodo delle microcellule, rapida e ottenuta senza la formazione di micronuclei e quindi senza indurre danni al DNA del cromosoma nelle cellule donatrici. Inizialmente viene mantenuto come copia aggiuntiva, ma il ciclo si completa con l’eliminazione della copia endogena del cromosoma corrispondente utilizzando CRISPR.
Durante questo processo emerge anche un fenomeno biologico inatteso. Abbiamo osservato che i telomeri del cromosoma umano si allungano significativamente nelle cellule di topo e tornano poi alle lunghezze tipiche umane una volta ritrasferiti. È una dimostrazione della notevole plasticità dei meccanismi di mantenimento del genoma.
Quali sono i prossimi passi della vostra ricerca?
I prossimi passi si muovono su più livelli, in modo progressivo e realistico. Il primo è l’estensione e la generalizzazione della piattaforma: aumentare l’efficienza del trasferimento, applicarla a più cromosomi e a diversi tipi cellulari umani, e standardizzare i controlli di qualità genomica.
Un secondo obiettivo riguarda l’ingegnerizzazione su scala maggiore: ora che il ciclo completo funziona, vogliamo utilizzare la fase di assemblaggio per introdurre DNA sintetico, riorganizzare ampie regioni genomiche o riscrivere porzioni significative di cromosomi».
C’è poi una dimensione applicativa. La piattaforma, infatti, consente di testare - in modelli cellulari clinicamente plausibili - la precisione, la stabilità e la sicurezza di interventi genetici su larga scala, in particolare nel contesto delle terapie avanzate. Questo rappresenta un passaggio essenziale prima di qualunque ipotesi di applicazione terapeutica.
Infine, la ricerca fondamentale. La possibilità di spostare e sostituire cromosomi interi offre uno strumento unico per studiare il genoma come sistema integrato, qualcosa che fino ad oggi era difficilmente affrontabile in modo causale.
Guardando alle terapie avanzate e alle malattie rare, quali nuove possibilità apre questa scoperta?
Nel contesto delle terapie avanzate, questo progresso scientifico non va interpretato come una nuova terapia, ma come un ampliamento sostanziale del perimetro di ciò che diventa tecnicamente e strategicamente plausibile.
Molte malattie rare non dipendono da una singola mutazione, ma coinvolgono grandi regioni regolatorie, alterazioni di dosaggio genico o vere e proprie anomalie cromosomiche. In questi casi, il limite delle tecnologie attuali non è solo tecnico, ma anche concettuale e industriale. Sviluppare una terapia altamente specifica per ciascuna mutazione - o per ciascun singolo gene - è spesso poco sostenibile, soprattutto quando i numeri di pazienti sono estremamente ridotti. Anche quando una soluzione tecnica è possibile, il modello di sviluppo e di produzione rischia di non essere scalabile. Il nostro lavoro introduce una piattaforma che consente di lavorare a scala cromosomica in modo controllato. In prospettiva, potrebbe permettere di affrontare classi di difetti genetici con strategie comuni, semplificando l’architettura dello sviluppo terapeutico.
Non implica applicazioni cliniche immediate né elimina le implicazioni etiche. Ma fornire strumenti per testare in modo rigoroso precisione, stabilità e sicurezza di interventi su larga scala è un passaggio necessario per capire quali strade siano realisticamente percorribili.
Nel vostro lavoro si parla anche di biologia sintetica generativa. Di cosa si tratta e che ruolo gioca questa scoperta?
La biologia sintetica generativa rappresenta un’evoluzione della biologia sintetica classica. Non si tratta più solo di modificare geni esistenti, ma di progettare e costruire nuovi sistemi biologici partendo da principi di base e da obiettivi funzionali definiti. Finora questo approccio era limitato ai microrganismi: mancava la dimostrazione che fosse praticabile anche in cellule eucariotiche superiori e su cromosomi umani, che sono enormemente più grandi e complessi. Il nostro lavoro colma proprio questo divario. Mostra che un cromosoma umano può essere trattato come un’unità ingegneristica, costruito e testato in modo controllato. In questo senso, non è solo un avanzamento tecnico, ma un abilitatore concettuale per la biologia sintetica generativa applicata agli eucarioti superiori.
Nel loro insieme, questi risultati non rappresentano una terapia, ma una piattaforma tecnologica promettente per studiar operazioni di ingegneria genetica su larga scala e per acquisire una conoscenza più profonda e rigorosa del funzionamento dei genomi.
