Progetto Genoma Umano, quando i ricercatori riuscirono a sequenziare il DNA

La struttura del DNA fu scoperta il 28 febbraio 1953 da James Watson e Francis Crick, grazie ai dati ottenuti dalla celebre Foto 51 di Rosalind Franklin. Questa scoperta, che valse il Premio Nobel per la Medicina nel 1962 a Watson e Crick, segnò una svolta nella biologia molecolare, aprendo la strada allo studio del genoma, ovvero l'insieme completo delle informazioni genetiche di un organismo. Il Progetto Genoma Umano, avviato negli Stati Uniti nel 1990, aveva l’obiettivo di mappare e sequenziare il DNA umano. Il progetto coinvolse enti pubblici e privati, tra cui il National Institutes of Health (NIH) e la Celera Genomics di Craig Venter. Il sequenziamento dei 3 miliardi di coppie di basi del DNA, completato nel 2003, rivelò che il genoma umano contiene “solo” 28.000-30.000 geni, molto meno dei 100.000 stimati inizialmente.

Cos'è il Progetto Genoma Umano: origini e obiettivi

Il Progetto Genoma Umano, avviato nel 1990 e conclusosi nel 2003, aveva l'obiettivo di decifrare per la prima volta la sequenza completa del DNA umano. Nel 1989, il Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti fondò il National Center for Human Genome Research (NCHGR) per sostenere il progetto. Inizialmente diretto da James Watson, uno degli scopritori della struttura molecolare del DNA, la direzione passò poi a Francis Collins, un esperto genetista, che guidò il progetto fino al suo completamento. Il piano prevedeva una durata di 15 anni, con obiettivi definiti per i primi 5 anni e successivamente rinnovati.

A questo traguardo, tuttavia, si è giunti dopo diverse difficoltà tecniche, che hanno portato a una competizione tra l'International Human Genome Sequencing Consortium – la cordata di enti pubblici internazionali guidata da Collins – e la società privata Celera Genomics, fondata nel 1998 da Craig Venter.  Al di là della competizione tra ricerca pubblica e privata, entrambi i metodi hanno contribuito enormemente all’avanzamento del Progetto Genoma Umano.

Non partendo da un’ipotesi da verificare, ma esplorando un territorio biologico sconosciuto, ha reso possibili straordinarie scoperte raggiungendo diversi obiettivi secondari. Tra questi, il sequenziamento di genomi di organismi modello, come il batterio Escherichia coli, il lievito Saccharomyces cerevisiae, il moscerino della frutta Drosophila melanogaster, il nematode Caenorhabditis elegans e il topo.

Come i ricercatori hanno mappato i geni umani

Il Progetto Genoma Umano è stato possibile grazie alla collaborazione di migliaia di ricercatori a livello internazionale. Negli Stati Uniti, il Department of Energy (DOE) e il National Institutes of Health (NIH) hanno finanziato il progetto con investimento iniziale stimato di circa 3 miliardi di dollari per 15 anni di ricerca. Sebbene il calcolo esatto sia complesso, questa cifra è considerata una stima attendibile. Il sequenziamento del genoma ha coinvolto scienziati di 20 università e centri di ricerca in Stati Uniti, Regno Unito, Francia, Germania, Giappone e Cina, riuniti sotto il Consorzio Internazionale per il Sequenziamento del Genoma Umano. Nonostante il costo elevato, l'impatto economico della genomica nei decenni successivi ha ampiamente ripagato l’investimento, con benefici diretti nei settori farmaceutico, biotecnologico e medico, generando innovazioni e nuove opportunità industriali.

Sequenziare il DNA significa determinare l'ordine preciso delle basi – adenina (A), timina (T), guanina (G), citosina (C) – che formano i segmenti della molecola.

Il consorzio pubblico ha fatto principalmente uso del metodo di sequenziamento Sanger, migliorato con innovazioni tecniche. Questo metodo funziona replicando frammenti di DNA e interrompendoli in punti specifici con dideossinucleotidi (ddNTP), che bloccano la sintesi del DNA. Analizzando la lunghezza dei frammenti con sequenziatori automatici e coloranti fluorescenti, è possibile ricostruire la sequenza. Nel Progetto Genoma Umano, l'efficienza di questo metodo è stata potenziata grazie a strumenti automatizzati e software avanzati per assemblare le sequenze.

Il metodo shotgun, invece, utilizzato dalla Celera Genomics, è più rapido e prevede la frammentazione casuale del genoma in piccoli segmenti consentendo di sequenziare direttamente questi frammenti e poi ricostruire la sequenza completa tramite algoritmi informatici avanzati. Entrambi i metodi hanno giocato un ruolo chiave nel successo del Progetto Genoma Umano: il consorzio pubblico ha seguito un approccio più metodico e accurato, mentre Celera ha privilegiato la velocità, sebbene inizialmente con un grado di precisione inferiore.

La sequenza del genoma umano generata dal progetto era un mosaico di DNA proveniente da diverse persone, le cui identità sono state mantenute anonime per garantire la privacy. La maggior parte del genoma di riferimento (circa il 70%) è stata sequenziata da un individuo di discendenza mista, mentre il restante 30% proveniva da altri 19 individui, prevalentemente di origine europea. Per raccogliere il DNA, i ricercatori hanno reclutato volontari tramite annunci pubblici. I donatori, in gran parte provenienti da Buffalo, New York, hanno fornito campioni di sangue, da cui è stato estratto il DNA, previo consenso informato.

Quali sono state le scoperte più importanti sul DNA grazie al Progetto Genoma Umano

Nel giugno 2000, l'International Human Genome Sequencing Consortium annunciò la prima bozza della sequenza del genoma umano, coprendo circa il 90% del totale. Alcune regioni particolarmente complesse o altamente ripetitive risultavano difficili da decifrare con precisione, motivo per cui questa versione preliminare presentava oltre 150.000 lacune, ossia tratti di DNA la cui sequenza non poteva essere determinata con le tecnologie disponibili. Il Presidente americano Bill Clinton tenne una cerimonia alla Casa Bianca per annunciare questo risultato a cui erano presenti politici, ambasciatori, scienziati e giornalisti.

Infine, il 14 aprile 2003 il consorzio annunciò il completamento del Progetto Genoma Umano e rilasciò una versione più completa e accurata del genoma, che copriva il 99% della sequenza totale e riduceva il numero di lacune a meno di 400. L'accuratezza della sequenza finale risulta notevolmente migliorata rispetto alla bozza iniziale, con un tasso di errore ridotto da 1 ogni 1000 basi a uno ogni 10.000 basi.

Lo studio ha rivelato che il genoma umano contiene tra i 28.000 e i 30.000 geni, cioè regioni di DNA in grado di permettere la sintesi di proteine (e questo è circa il 2% del totale genoma umano), un numero ben inferiore ai 100.000 inizialmente stimati, ha avuto importanti implicazioni per la biologia e la medicina. Questo ha messo in luce un aspetto fondamentale: la complessità dell'essere umano non dipende dalla quantità di geni, ma dalle loro interazioni e dalla regolazione degli stessi. Gran parte di questa regolazione avviene nel DNA non codificante (cioè che non permette la sintesi di proteine, circa il 98% del DNA totale), che, sebbene inizialmente considerato "spazzatura", gioca in realtà un ruolo cruciale nella gestione dell'espressione genica.

Dopo quasi 20 anni, il 31 marzo 2022, il consorzio Telomere-to-Telomere (T2T) annunciò di aver completato l'intera sequenza del genoma umano, eliminando tutte le lacune rimaste e fornendo per la prima volta una mappa completa e continua del nostro DNA. Una maxi-equipe di scienziati provenienti da Università e centri di ricerca di tutto il mondo è riuscita a "decifrare" e mappare l'8% di genoma che mancava all'appello, aggiungendo quei pezzi del puzzle che non permettevano ai ricercatori di avere una visione d'insieme del codice genetico umano.

Nel complesso, oltre ad aver aperto la strada allo studio delle scienze omiche – discipline che utilizzano tecnologie di analisi per la produzione di un numero elevato di dati utili per lo studio di un sistema biologico – il progetto ha cambiato il modo di fare ricerca nel mondo. Gli scienziati hanno reso pubbliche le sequenze del genoma umano non appena venivano prodotte, grazie ai cosiddetti Bermuda Principles, stabiliti durante due incontri sull'isola. Questi principi hanno fissato le regole per il rapido rilascio dei dati, promuovendo la condivisione aperta delle informazioni e aumentando la consapevolezza nella ricerca biomedica. Questo accordo è stato una delle eredità più significative del progetto.

Inoltre, lo HGP è stato un esempio di successo della cosiddetta big science, affrontando sfide tecnologiche che hanno richiesto la collaborazione di esperti interdisciplinari da tutto il mondo, con il lavoro concentrato in pochi centri per ottimizzare le risorse. Tutto questo ha rivoluzionato la genetica e la biomedicina, permettendo progressi nella diagnosi e cura delle malattie genetiche, nello sviluppo della medicina personalizzata e nelle tecnologie di sequenziamento più rapide ed economiche.

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