Leggere le “ACGT” del DNA: cosa s’intende per sequenziamento?

di Ivy Rose Sebastian, Antonino Napoleone | 8 Aprile 2022.

Sapevate che il DNA di ciascuna delle nostre cellule contiene sei miliardi di singoli elementi costitutivi o basi nucleoticdiche che stanno tutti in un minuscolo spazio di soli sei micron? Se dovessimo allungare questo DNA, sarebbe lungo circa due metri e, se dovessimo mettere insieme tutto il DNA di tutte le nostre cellule, sarebbe circa il doppio del diametro del sistema solare!
Il DNA o acido desossiribonucleico è l’elemento costitutivo fondamentale di un organismo, mentre il contenuto totale di DNA in un organismo è chiamato genoma. Il genoma fornisce lo schema delle istruzioni per lo sviluppo e la funzione dell’organismo. Quindi, teoricamente, se potessimo “leggere” il genoma, dovremmo essere in grado di ottenere tutte le informazioni sull’organismo, giusto?

Le ACGT del DNA

Il sequenziamento del DNA è il metodo che determina l’ordine esatto degli elementi costitutivi in un filamento di DNA e ci permette di “leggerlo”. Il DNA è composto da diverse combinazioni di quattro basi nucleotidiche principali: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Questi elementi chimici si legano solo con i loro partner specifici per formare coppie di basi, cioè A con T e C con G, e quindi costituiscono la doppia elica del DNA che può immagazzinare enormi quantità di informazioni genetiche all’interno delle nostre piccole cellule, andando a costituire il corredo cromosomico. Questo accoppiamento complementare di basi è il principio alla base del sequenziamento del DNA! Come è nata l’era del sequenziamento e qual è la sua importanza nella nostra società? Approfondisci questo articolo per scoprire di più su questa tecnologia all’avanguardia che ha rivoluzionato il mondo scientifico!

Un lungo viaggio verso il sequenziamento del DNA

Lo sviluppo del sequenziamento del DNA dalle prime deduzioni scritte a mano alle piattaforme di sequenziamento automatizzato è stato il risultato di continui sforzi di sinergia della comunità scientifica. Dopo che James Watson, Francis Crick e Rosalind Franklin scoprirono la struttura del DNA nel 1953, furono fatti molti tentativi per sequenziare il DNA. Il primo tentativo di sequenziare un acido nucleico è stato condotto da Robert Holley nel 1965, dove ha sequenziato con successo il primo RNA di trasferimento (tRNA) dal lievito, per il quale ha poi vinto il premio Nobel.

Ray Wu, un biologo cinese-americano della Cornell University, pubblicò uno dei primi metodi per sequenziare il DNA nel 1970. Questa tecnica è stata poi implementata da Fredrick Sanger e colleghi che, nel corso degli anni ’70, hanno introdotto il famoso “metodo Sanger“, che ha reso possibile la sequenza di lunghi tratti di DNA in un breve periodo di tempo. Il metodo di terminazione a catena di Sanger ha dominato il mondo del sequenziamento per i successivi 30 anni!

Contemporaneamente, è stata sviluppata anche un’altra tecnica da Allan Maxam e Walter Gilbert all’Università di Harvard, chiamata metodo di degradazione a catena, ma è stata presto abbandonata perché più complessa e difficile da modulare.
Entrambe le tecniche mancavano di automazione e quindi erano laboriose e richiedevano molto tempo. Tuttavia, il sequenziamento Sanger era più adatto ad un processo di automazione, aprendo la strada ai primi strumenti o sequenziatori di DNA. Nel 1986, il primo sequenziatore di DNA automatizzato fu ideato da Leroy Hood e Michael Hunkapiller, che apportarono due importanti miglioramenti al metodo Sanger: in primo luogo, i frammenti di DNA furono etichettati in con molecole fluorescenti (in contrasto con l’uso di molecole radioattive) e in secondo luogo, l’acquisizione e l’analisi dei dati furono fatte usando i computer – un evento che fu semplicemente sorprendente per i biologi di quel tempo!

Dopo lo sviluppo di sequenziatori automatizzati, l’era degli anni 2000 è diventata un periodo d’oro per le piattaforme di sequenziamento. Dagli anni ’90, c’è stata una rapida crescita e sviluppo dei metodi di sequenziamento e degli strumenti tecnologici. Tali innovazioni hanno migliorato l’efficienza e l’accuratezza e abbassato radicalmente i costi del sequenziamento dell’intero genoma, rendendolo accessibile e affordabile.

Il Next Generation Sequencing (NGS) è una delle tecnologie di sequenziamento parallelo massiccio più recenti e innovative che permette un’acquisizione più profonda e rapida delle informazioni genomiche ben oltre la capacità delle tradizionali tecnologie di sequenziamento del DNA. Questo ha aperto le porte all’era moderna del sequenziamento e della lettura del genoma di molti organismi.

Il Progetto Genoma Umano

Il Progetto Genoma Umano, rappresenta una grande conquista scientifica che ha richiesto un enorme sforzo di collaborazione iniziato nel 1990, per ben 13 anni e l’astronomica cifra di 3 miliardi di dollari per essere completato. Tuttavia, all’epoca, solo la lettura del 92% del genoma umano fu completata, a causa della grande complessità intrinseca, dei costi crescenti e degli sforzi proibitivi che richiedeva. Con le tecnologie attuali, gli stessi risultati potrebbero essere ottenuti di 2 settimane e ad un costo inferiore ai 1000 dollari. Di recente, quasi due decenni dopo la sua prima pubblicazione, un team di 100 scienziati ha finalmente pubblicato la sequenza del genoma umano nella sua interezza. Grazie all’utilizzo dei recenti metodi all’avanguardia di sequenziamento NGS, sono stati ridotti drasticamente le spese ed gli sforzi complessivi rispetto al costo che il progetto iniziale aveva richiesto.

Rilevanza del sequenziamento – leggere o non leggere?

Il sequenziamento ha applicazioni ad ampio spettro; dal miglioramento della diagnostica delle malattie e della medicina personalizzata alla biologia evolutiva e alla conservazione della fauna selvatica!
Ecco alcune applicazioni che evidenziano l’impatto rivoluzionario del sequenziamento:

1. Medicina: Le informazioni del sequenziamento possono aiutare i ricercatori a identificare le mutazioni nei geni, le associazioni con le malattie, e identificare i potenziali bersagli dei farmaci. Questo è particolarmente utile nello studio delle malattie genetiche e del cancro.
2. Virologia: Una delle applicazioni di maggiore impatto e e rilevanza del sequenziamento è stata il tracciamento e il monitoraggio delle varianti del virus SARS-CoV-2. Questo a sua volta aiuta nella rapida identificazione di nuove varianti e aiuta a studiare la loro evoluzione nel tempo (leggi anche – COVID-19 – La dinamica tra protezione immunitaria ed evoluzione del virus).
3. Biologia evolutiva: Le piattaforme NGS possono ora essere utilizzate per svelare i misteri sul nostro passato evolutivo. Per esempio, per la prima volta nel febbraio 2021, gli scienziati hanno riportato il sequenziamento del DNA di un mammut, vecchio più di un milione di anni. Questo è il più antico DNA ad essere sequenziato fino ad oggi!
4. Conservazione della fauna selvatica: Il sequenziamento gioca anche un ruolo significativo nell’aiutare gli sforzi di conservazione. Permette agli scienziati di ricercare la genetica sottostante e aiutare a monitorare la salute riproduttiva di tali specie in pericolo d’estinzione.

Conclusioni

Come abbiamo potuto osservare, lo spettro di applicabilità di questa tecnologie è davvero vasto. Le migliorie tecnologiche e soprattutto l’avanzamento informatico hanno permesso, e permetteranno in futuro, di spinegere ben oltre i limiti del sequenziamento e delle informazioni a cui si potrà accedere, aprendo le porte a nuove soprendenti scoperte.

Per citare Sanger,

“La ricerca scientifica è una delle occupazioni più eccitanti e gratificanti. È come un viaggio di scoperta in terre sconosciute, non alla ricerca di nuove terre, ma di nuove conoscenze. Dotrebbe sicuramente attrare coloro che hanno un buon senso dell’avventura”.

Bibliografia:

• https://the-dna-universe.com/2020/11/02/a-journey-through-the-history-of-dna-sequencing/
• https://www.genome.gov/dna-day/15-ways/dna-sequencing
• https://www.genome.gov/es/node/17331
• https://bitesizebio.com/27892/decoding-the-genome-applications-of-dna-sequencing/
• Wheeler, D., Srinivasan, M., Egholm, M. et al. The complete genome of an individual by massively parallel DNA sequencing. Nature 452, 872–876 (2008). https://doi.org/10.1038/nature06884
• S. Nurk, et al. The complete sequence of a human genome. Science 376, 44–53 (2022).