Oggigiorno si sente parlare sempre più di sequenziamento. Basti pensare alle caratterizzazioni di tutte le possibili varianti del SARS-CoV-2, dalla alfa all’ omicron, che vengono determinate impiegando le ultime tecnologie di sequenziamento.
Il sequenziamento è un metodo che permette la lettura del codice genetico attraverso l’identificazione delle successioni delle 4 basi azotate (Adenina, Citosina, Timina, Guanidina) che caratterizzano il DNA e i geni. L’esistenza di caratteri determinanti ereditari, chiamati geni, fu ipotizzata da Mendel nel 1866. Questi caratteri determinanti (geni) erano stati visti da incroci di piante o animali aventi tratti distintivi unici e che segregavano, cioè apparivano, in rapporti definiti nella generazione successiva. Ma dove risiedevano i geni e come erano fatti?
La storia ci racconta una serie di scoperte in successione. Nel 1869 Friedrich Miescher a Basilea isolò il DNA, inizialmente chiamato nucleina, dal nucleo di leucociti. Nel 1919 Phoebus Levene definì i componenti del DNA come 4 basi azotate legati a zuccheri secondo una struttura ripetuta. Non era ancora chiaro come queste poche basi potessero essere sede di informazione genetica ma poco dopo grazie alla scoperta della struttura a doppia elica del DNA nel 1953 da parte di James Watson e Francis Crick si capì che l’informazione risiedeva nella successione di queste 4 basi azotate. A chiarire come la sequenza nucleotidica trasmetteva messaggi attraverso l’RNA per la sintesi di proteine furono altri due scienziati Marshal Nirenberg e Philip Leder che nel 1966 decifrarono tutti i codoni di traduzione del DNA svelando il codice genetico. Il primo organismo ad essere sequenziato fu il batteriofago phi X 174 (o ΦX174) con circa 5000 basi azotate, ad opera di Frederick Sanger che nel 1977 inventò un innovativo metodo di sequenziamento. Dalla pubblicazione del metodo di Sanger avvenne una vera e propria rivoluzione con lo sviluppo di nuovi metodi e strumentazioni sempre più performanti ed economiche che permettessero di leggere il patrimonio genetico di specie sempre più complesse. Tutto ciò era spinto da una competizione tra scienziati che gareggiavano per essere i primi a decifrare il “genoma umano”. Le 3 miliardi di basi componenti il genoma umano furono pubblicate nel 2001 da parte di due gruppi di ricercatori, il consorzio HGP (Human Genome Project) che pubblicò un draft sulla rivista Nature (15 Febbraio), e Celera che pubblicò un draft sulla rivista Science (16 Febbraio). Ormai il “boom del sequenziamento” era partito e così anche gli investimenti sulle nuove tecnologie con una crescita esponenziale.
Se nel 2001 il costo del sequenziamento del genoma umano era stato di 100 milioni di dollari oggi è possibile sequenziare il proprio DNA con una spesa di c.ca 1000 dollari. Il calo dei costi di sequenziamento permise inoltre di non rilegare questa tecnologi esclusivamente ad una ricerca scientifica di base ma di impiegarla per ricerche applicative in diversi settori. In medicina, il sequenziamento viene utilizzato in campo diagnostico e terapeutico e oggi si parla addirittura di medicina personalizzata. In campo forense viene applicato al tracciamento dei profili dei criminali. Parallelamente in campo alimentare è possibile fare un tracciamento del DNA identificando ingredienti non consentiti o di origine non propria e smascherare eventuali truffe. In campo animale e vegetale il sequenziamento viene impiegato per caratterizzare le variazioni genetiche responsabili di specifiche caratteristiche morfologiche così da selezionare specie e varietà che mostrino dei vantaggi in termini produttivi o di adattamento ad uno specifico ambiente. Infine attraverso il sequenziamento massivo delle comunità microbiche presenti in un campione è possibile identificare tutti i microrganismi presenti in diverse matrici come suolo, alimenti o in campioni biologici di origine animale.
Anche l’offerta del sequenziamento si è via via evoluta. Accanto allo studio dei geni “genomica”, si è andati verso un’analisi di tipo funzionale in grado di valutare l’espressione di trascritti differenziali “trascrittomica” o di valutare modifiche di elementi regolativi tipo small-non-coding RNA, di metilazioni differenziali del DNA e modifiche di istoni in grado di regolare l’espressione genica “epigenomica”, o di analizzare differenti comunità microbiche “metagenomica”. La produzione di dati risulta anch’essa massiva e ciò ha portato ad un contemporaneo sviluppo di risorse di calcolo e algoritmi in grado di analizzare i dati e interpretare i risultati attraverso lo sviluppo della “bioinformatica”.
Anche se al giorno d’oggi tutto è “sequenziabile”, in modo semplice e rapido attraverso l’impiego di piattaforme di sequenziamento specializzate, e che tutta l’informazione nell’epoca del “Big Data” è fruibile e disponibile, anche se spesso in maniera sempre più impersonale, la figura del ricercatore risulta sempre più centrale. Grazie ad un continuo e approfondito studio dei dati di sequenziamento il ricercatore si impegna a rispondere con cura e sincerità alle problematiche e ai quesiti di interesse tramite una progettazione mirata e grazie alle competenze maturate.
All’interno dell’istituto di Biologia e Biotecnologie Agrarie del Consiglio Nazionale delle Ricerche IBBA-CNR, dal 2012 con il progetto “GenHome” diversi ricercatori hanno sviluppato protocolli innovativi per il sequenziamento e le analisi bioinformatiche in grado di caratterizzare al meglio risorse animali, vegetali e comunità microbiche. Lo scopo è stato quello di acquisire competenze, strumentazione e risorse di calcolo necessari allo studio di svariate tematiche. Sono stati studiati i polimorfismi in piccoli ruminanti e la loro influenza sull’ adattabilità ai cambiamenti climatici. E’ stata approfondito il contributo dell’epigenetica in piccoli e grandi ruminanti per la comprensione dei meccanismi che stanno alla base dell’adattamento climatico e della riproduzione animale. Tramite l’analisi metagenomica è stata valutata la microflora e microfauna del suolo e la sua interazione con l’ambiente e con la biodiversità animale e vegetale. L’ analisi metagenomica ha permesso anche di definire la composizione batterica del rumine e il possibile contributo del microbiota nella salute animale e nel determinare caratteristiche funzionali e organolettiche di un alimento. Infine tramite la caratterizzazione genomica e trascrittomica di specie vegetali di interesse è stato possibile capire le basi biochimiche, fisiologiche e molecolari dell’adattamento della pianta a variazioni ambientali.
L’evoluzione del sequenziamento ha ampliato enormemente la mole di informazioni a disposizione per tutta la comunità scientifica. Sta ad ora alla ricerca a dare un senso a questa informazione in modo da poter comprendere al meglio i fenomeni biologici osservati.
Autore: Emanuele Capra
