Barry Schuler: Genomica 101

Cosa succede nella genomica, e come questa rivoluzione sta per cambiare tutto cio' che conosciamo il mondo, la vita, noi stessi, e come vediamo queste cose.

Se avete visto 2001: Odissea nello Spazio, sentito il boom boom, visto il macigno quella era l'interpretazione di Arthur C. Clarke di un momento chiave nell'evoluzione della nostra specie. La scelta e l'uso di ossa per fabbricare attrezzi, e l'uso di tali attrezzi, in altre parole delle scimmie andando in giro, mangiando, socializzando capirono di poter fare oggetti con l'aiuto di un attrezzo. E per questo progredimmo di uno scalino.

Specialmente negli ultimi 30 anni, abbiamo visto un accelerazione nella conoscenza e nella tecnologia, e la tecnologia ha prodotto nuova conoscenza e nuovi strumenti. Abbiamo visto molti momenti chiave. La creazione di piccoli computer negli anni '70 e primi '80, chi avrebbe pensato allora che ognuno di noi avrebbe avuto in casa non uno, ma circa 20 computers, e non solo nel PC ma in ogni aggeggio - nella lavatrice, nel cellulare. Giratevi attorno: la vostra auto ha 12 micropocessori. Poi abbiamo proseguito creando l'Internet connettendo tutto il mondo e rendendolo piatto.

Abbiamo assitito a cosi' tanti cambiamenti, e ci siamo dotati di strumenti molto potenti che ci permettono di osservare dentro noi stessi di osservare qualcosa comune a tutti noi, il genoma.

Come sta oggi il vostro genoma? Ci avete pensato ultimamente? Ne avete sentito parlare almeno? Probabilmente si', al giorno d'oggi.

Pensavo di dirvi in breve cos'e' un genoma. E' un po' come quando chiedete a qualcuno, cos'è un megabyte, o un megabit? Cos'e' la banda larga? Nessuno vuole ammettere di non saperlo. Cosi', ve lo dico subito. Avrete sentito senz'altro parlare del DNA, l'avrete probabilmente studiato in biologia. Un genoma e' praticamente la completa descrizione dell'intero DNA di ogni organismo vivente. Una cosa comune ad ogni genere di vita questo è il DNA. Non importa se siete un lievito un topo una mosca, tutti abbiamo un DNA. Il DNA e' articolato in parole dette geni e cromosomi.

Quando Watson e Crick negli anni '50 per primi decifrarono questa bellissima doppia elica che conosciamo come la molecola DNA - lunga e complicata - cominciammo a capire che nel DNA c'e' il linguaggio che determina le nostre caratteristiche, i nostri tratti, le cose che ereditiamo, le malattie che potremmo avere. Abbiamo inoltre scoperto che e' una molecola antica, che l'intero DNA del nostro corpo e' esistito da sempre, dall'inizio di noi come creature. E' un archivio storico.

Nel genoma c'e' la storia della nostra specie, di noi come esseri umani individuali, della nostra origine, e risale di migliaia e migliaia di anni, Ora stiamo per decifrarlo. Inoltre, il genoma e' veramente il manuale d'istruzioni. E' il programma. Il codice della vita. E' cio' che ci fa funzionare; che fa funzionare ogni organismo. Il DNA e' una molecola molto elegante. Lunga e complicata. Veramente, tutto cio' che dobbiamo sapere, e' che ci sono quattro lettere: A, T, C, G; rappresentanti il nome di 4 sostanze chimiche. Con queste quattro lettere, potete creare un linguaggio: un linguaggio che puo' descrivere ogni cosa, anche cose molto complicate. Le lettere sono generalmente accoppiate, creando una parola o cio' che chiamiamo coppie di basi. Se ci pensate, quattro lettere o la rappresentazione di quattro cose, è quello che ci fa funzionare.

Cio' non puo' essere intuitivo. Ma fatemi tornare a qualcosa che conoscete bene, il computer. Osservate questo schermo, vedete immagini vedete parole, ma in realtà sono costituite di uni e zeri. Il linguaggio della tecnologia è binario; ne avrete sentito parlare. Tutto nel mondo digitale e' convertito, rappresentato da una combinazione di uni e zeri. Cosi' quando ascoltate su iTunes la vostra musica preferita, sono solo uni e zeri che scorrono molto velocemente, Quando osservate queste immagini, sono tutti uni e zeri, quando usate il vostro telefono, il cellulare, che viaggia nella rete, la vostra voce e' interamente trasformata in uni e zeri e diffusa magicamente. Guardate quante cose complesse e meravigliose abbiamo creato usando solo uni e zeri.

Be', ora moltiplichiamo tutto per quattro ed otterremo una grande complessità, molti modi di descrivere meccanismi. Parliamo di cosa significa questo. Se guardate un genoma umano, consiste di 3,2 miliardi di queste coppie di basi, tante, che si mescolano in ogni modo, e questo ci rende un essere umano. Se convertiamo questo in sistema binario, per darvi una idea, siamo in realtà più piccoli del programma Microsoft Office. dopo tutto non poi tanta informazione. E, curiosità, abbiamo più o meno anche lo stesso numero di errori (di MS Office) Risate

Questo e' un errore nel mio genoma con il quale ho combattuto molto a lungo. Quando vi ammalate, e' per un errore nel vosto genoma. Infatti, molte malattie che ci affliggono da tanto tempo, come il cancro, non sappiamo curarle perche' non capiamo cosa succede a livello genomico. Ma stiamo cominciando a capirlo.

Finora abbiamo provato a curarci usando quello che io chiamo farmacologia "cacca-sul-muro", e cioe', tiriamogli addosso delle sostanze, e forse risolveremo il problema. Ma se capissimo veramente perche' una cellula cambia da normale a cancerogena? Qual'e' il codice? Quali sono le esatte istruzioni che provocano questo cambiamento? Se lo sapessimo potremmo cercare di correggerle. Ecco alcuni argomenti per la prossima cenetta con un'ottima bottiglia di vino

Ci sono attualmente 24.000 geni che hanno una funzione. ma ce ne sono circa cento, 120.000 altri cui non corrisponde una funzione visibile ogni giorno, ma rappresentano questo archivio storico di come eravamo come specie decine di migliaia di anni fa. Vi interessera' anche sapere che un topo ha circa lo stesso numero di geni. (di un essere umano).

Hanno sequenziato recentemente il Pinot Nero, che ha 30.000 geni. cosi', il numero di geni che avete non rappresenta necessariamente la complessita' o l'ordine evoluzionistico di una particolare specie. Guardatevi attorno: guardate il vostro vicino, seduto davanti o dietro a voi. Sembriamo tutti abbastanza differenti. Molta bella gente qui, magri, grassi, razze differenti, culture. Siamo tutti geneticamente uguali al 99,9%. E' solo un centesimo di 1% di materiale genetico che fa la differenza fra ognuno di noi. E' una quantita' minuscola di materiale, ma il modo in cui si esprime e' alla fin fine cio' che produce le differenze fra gli esseri umani delle varie specie.

Cosi', ora sappiamo leggere i genoma. Per il primo genoma umano ci sono voluti dieci anni e 3 miliardi di dollari. Grazie al Dr. Craig Venter. E poi per il genoma di James Watson - uno degli scopritori del DNA - ci sono voluti $2 miliardi, e solo due mesi di tempo. E se riflettete sull'evoluzione all'industria informatica a come sia passata da grandi a piccoli computers sempre piu' potenti, lo stesso sembra succedere ora con il sequenziamento del gene: stiamo per riuscire a sequenziare genoma umani con circa $5.000 e in una mezz'ora; questo succedera' nei prossimi 5 anni.

E cioè presto andrete in giro con il vostro genoma personale registrato su una "smart card". Sta arrivando. E quando comprerete le medicine, non comprerete una medicina generica usata da tutti. Darete il vostro genoma al farmacista, e il vostro farmaco vi verrà fatto su misura e sara' molto piu' efficace. Senza effetti collaterali. Tutti gli effetti che conosciamo, il grasso residuo, quelli che vediamo nella pubblicita': finiti. No esisteranno più.

Come è fatto un genoma? Bene, cosi'. E' una lunga, lunga serie di coppie di basi. Se guardate il genoma di un topo o di un essere umano non apparirebbe diversi da questo, ma ciò che stanno facendo gli scienziati ora, è capire quello che questi geni fanno e quello che significano. Perchè la Natura, sta sempre cliccando due volte. Cioe', vedete le prime due frasi qui, assumendo che questo sia (il genoma di) una vite: questo genera una radice o un ramo, crea un fiore. In un essere umano, qui potrebbe essere: produci globuli rossi, genera un cancro. Per me potrebbe essere: ogni caloria che consumi, conservane un po' perche' vengo da un clima molto freddo. Per mia moglie: mangia tre volte tanto e non aumenterai mai di peso. E' tutto nascosto in questo codice, e sta per essere capito ad un ritmo frenetico.

Allora, cosa possiamo fare coi genoma ora che possiamo leggerli, ora che stiamo per possedere il libro della vita? Bene, molte cose di cui alcune eccitanti. che alcuni giudicano pericolose: Vi ne diro' un paio per cui probabilmente vi vorrete vomitarmi addosso, ma non importa. Cosi', ora possiamo leggere la storia degli organismi.

Potete fare un semplice test: prendete un campione; speditelo. Saprete da dove vengono i vostri parenti; potrete ricostruire il vostro albero genealogico fino a migliaia di anni fa. Possiamo anche capire le funzionalità e questo e' molto importante. Possiamo capire ad esempio, perche' si forma la placca nelle arterie, cosa crea l'amido dentro un seme di grano, perche' il lievito metabolizza lo zucchero producendo anidride carbonica Ragionando in scala più grande possiamo trovare la ragione dei problemi, le malattie, come possiamo porvi rimedio. Perchè se possiamo capire, possiamo rimediare, creare organismi migliori.

Particoalrmente importante è che stiamo per capire che la Natura ci ha provvisto di una cassetta di attrezzi spettacolare. Questa cassetta esiste già. Un architetto molto migliore e intelligente di noi ci ha dato quella cassa di attrezzi, e ora sappiamo come usarla. Non stiamo solo leggendo i genoma; stiamo scrivendoli.

Quest'azienda, Synthetic Genomics, per la quale lavoro, ha creato il primo intero genoma sintetico di un piccolo essere, una creatura primitiva detta Mycoplasma genitalium. Se avete un infezione urinaria - o l'avete avuta - avete conosciuto questo essere molto semplice - ha solo 246 geni - ma siamo riusciti a sintetizzare completamente il suo genoma. Ora, se hai il genoma ti chiedi, Se introduco questo genoma sintetico - se rimuovo quello vecchio e lo sostituisco- si mettera' improvvisamente a vivere? Bè, indovinate? Lo fa, vive.

Non solo; se prendete il genoma - quello sintetico - e lo inserite in un altro organismo, come il lievito, cambiate il lievito in Mycoplasma. In pratica e' come caricare un PC col sistema operativo del Mac. O fare l'opposto. Cosi', sapendo come scrivere un genoma e inserendolo in un organismo ... il software, in altre parole, cambia l'hardware. E questo e' molto profondo.

L'anno scorso, Francesi e Italiani annunciarono che, lavorando assieme, avevano sequenziato il Pinot Nero. La sequenza genomica esiste ora per l'intero organismo Pinot Nero, e sono stati identificati, di nuovo, circa 29.000 geni. Hanno scoperto come si creano i sapori, sebbene sia molto importante capire che i composti generati (dal vitigno) devono avere un ricettore umano sulla nostra lingua, in grado di capirlo di interpretare ed apprezzare questi sapori.

Hanno inoltre scoperto che la produzione dell'aroma è molto complessa e coinvolge diversi geni. Hanno identificato le aree responsabili per la vulnerabilita' a malattie. Stanno per capire, e il lavoro prosegue, esattamente come funziona questa pianta, possiamo capire, leggere l'intero codice e capire come funziona. Allora, che ce ne facciamo? Sapendo leggere, scrivere, cambiare, e forse anche riscrivere il genoma da zero a cosa serve? Bene, una cosa possibile sarebbe di fare un Franken-Nero. Risate

Possiamo creare un vino migliore. A proposito, è giusto che sappiate: se vi adombrate per gli organismi modificati geneticamente; sappiate che non c'e' una singola vite in questa valle o in nessuna altra che non sia modificata geneticamente. Infatti queste viti non crescono da semi; sono innestate su radici standard e non esisterebbero da sole in natura.

Così, non preoccupatevi, e non vi stressate. L'abbiamo sempre fatto. Potremmo, volendo, concentrarci sulla resistenza alle malattite; potremmo migliorarne la resa senza l'uso di tecniche agricole eccessive, o costose. Potremmo in teoria espandere la tolleranza climatica: si potrebbe coltivare Pinot Nero in Long Island, che Dio ci salvi. Risate

Potremmo produrre migliori sapori e aromi. Volete un po' piu' di lampone, di cioccolato qui e là? Tutto cio' si può in teoria fare e ci scommetterei sarà fatto. Ma, c'e' anche un eco-sistema. Cioe', non siamo solo dei piccoli unici organismi che vanno in giro; siamo parte di un grande eco-sistema.

Infatti - mi spiace dirvelo - dentro il vostro tratto intestinale ci sono circa 5 Kg. di microbi. che circolano bellamente nel vostro corpo. L'oceano e' pieno di microbi; infatti, quando Craig Venter comincio' a sequenziare i microbi dell'oceano, nei primi tre mesi triplicò le specie conosciute scoprendo microbi completamente nuovi nei primi 7 m. d'acqua. Ora sappiamo che questi microbi influenzano il clima regolando CO2 e ossigeno, più di quanto facciano le piante, che credevamo responsabili dell'ossigeno nell'atmosfera.

Troviamo vita microbiotica in ogni parte del pianeta: nel ghiaccio, nel carbone, in fosse volcaniche; e' incredibile. A proposito di piante abbiamo anche scoperto, per quanto conosciamo del loro genoma, è l'eco-sistema attorno a loro ... sono i microbi che vivono sulle loro radici, che hanno altrettanto impatto sulla natura delle piante stesse delle vie metaboliche delle piante stesse

Se osservate attentamente le radici, troverete molte, molte di colonie diverse di microbi. Questo è noto ai viticoltori da tempo ma si sono sempre preoccupati dell'acqua e dei fertilizzanti. --di nuovo, quello che chiamo buttar "cacca sul muro"-- se noti che alcuni fertilizzanti aiutano la pianta, ce ne metti di più. Non sappiamo con precisione, ... esattamente quali organismi producono quali sapori e quali caratteristiche. Ma ora possiamo incominciare a capirlo. Parliamo tanto di "terroir" (territorio peculiare) impazziamo per il terroir; diciamo, Wow, che forte il mio terroir! E' cosi' speciale. Ho questo pezzo di terra con un terroir formidabile.

Be', sapete, ne discutiamo tanto - diciamo che è il clima, la terra, qualcos'altro. Bene, indovinate? Adesso possiamo capire cosa cavolo sia questo terroir. E' li', che aspetta di essere sequenziato. Sono le migliaia di microbi che vivono là Sono facili da sequanziare: non come un essere umano. hanno mille, duemila geni; possiamo capire cosa siano.

Basta prelevare dei campioni di microbi, scavare per terra e trovarli sequenziarli, correlarli alle caratteristiche che ci piacciono o no - e' solo una grande banca dati - e poi fertilizzare. Così capiremo cos'è il terroir. Alcuni diranno, dio mio, stiamo giocando a essere Dio? Se costruiamo organismi, stiamo giocando a essere Dio? Lo chiedevano sempre a James Watson - che non e' sempre la persona piu' politicamente corretta ... Risate ....gli chiedevano, "Cerchi di fare come Dio?" E lui aveva la risposta migliore che abbia mai sentito: "Be', qualcuno lo deve pur fare." Risate

Mi considero una persona molto spirituale anche se no ho rapporti con la religione organizzata, vi diro': non credo ci sia nulla di innaturale. Non credo che la chimica sia innaturale. Vi avevo avvertito che avrei fatto vomitare qualcuno. E' molto semplice: non inventiamo molecole, composti. Sono già qui nell'universo. Riorganizziamo semplicemente, cambiamo le cose, ma non facciamo nulla di innaturale.

Possiamo, è vero, procurare effetti negativi - possiamo avvelenarci, avvelenare la Terra - ma questa è solo la conseguenza naturale di un nostro errore. In conclusione, quello che succede è che la Natura ci offre una cassetta di attrezzi, e scopriamo che questa cassetta e' molto ben fornita. Ci sono dei microbi là fuori che producono benzina, che ci crediate o no. Ci sono microbi - ritornando al lievito. Che sono fabbriche chimiche; La Natura ha le più sofisticate fabbriche chimiche, e ora possiamo usarle. Ci sono anche delle regole.

La Natura non permette alcune cose - potremmo inventare una vite, ma non possiamo farle fare dei bambini. La Natura ha messo delle regole. Possiamo operare solo entro le regole: non possiamo infrangerle; stiamo appena imparando quali esse siano. Mi chiedo solo, se potessimo curare tutte le malattie - se potessimo far sparire le malattie, perche' comprendiamo esattamente come funzionano, se potessimo far finire la fame creando piante sane e nutritive in luoghi normalmente difficili per la loro crescita se potessimo creare energia pulita e in abbondanza - noi, proprio nei laboratori alla Synthetic Genomics, abbiamo degli organismi uni-cellulari che usano anidride carbonica producendo una molecola molto simile a benzina. Anidride carbonica - la cosa che vogliamo eliminare - non zuccero, o altro. Anidride carbonica e un po' di luce, e si ottiene un lipido molto raffinato. Possiamo risolvere i nostri problemi energetici; ridurre CO2, possiamo ripulire gli oceani; fare del vino migliore. Se potessimo, non faremmo tutto cio'? Bene, credo che la risposta sia molto semplice: Operare con la Natura, con questi strumenti che ora comprendiamo, è il prossimo passo nell'evoluzione umana.

E tutto cio' che vi posso dire è, rimanete sani per i prossimi 20 anni. Se rimarrete sani per 20 anni, ne vedrete altri 150 e forse 300.

Grazie.