Il linguaggio proteico, una nuova avventura| Il progetto Proteoma dopo il Genoma |
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Ha già un nome: Progetto Proteoma Umano. Ha già uno sponsor (culturale): Nature, la più irnportante rivista scientifica del mondo. Ha un obiettivo decisamente ambizioso: identificare, isolare, classificare tutte le proteine (decine, se non centinaia, di migliaia) espresse dalle cellule umane nel corso della loro vita; verificare le funzioni biologiche di ciascuna; risalire alle loro complesse interazioni. Ha già destato l'interesse di molte industrie, a cominciare dalle grandi aziende produttrici di farmaci. Fa già litigare: su chi (laboratori privati o pubblici) e come (ognuno per sé o in modo coordinato) deve realizzarlo, il progetto. E quindi ha tutte le carte in regole per annunciarsi come una nuova rivoluzione nel dinamico mondo della biologia rnolecolare: la rivoluzione post-genomica.
Già, perché ora che i "National Institutes of Heakth" degli Stati Uniti e la "Celera Genomics" di Craig Venter hanno annunciato che il Progetto Genoma Umano è virtualmente concluso e che presto avremo la mappa completa e la sequenza dei circa 100.000 geni che trovano alloggio nel cromosomi dell'uomo, emergono con prepotenza due problemi. Uno di carattere sociologico (minore, ma da non trascurare): cosa faranno i biologi che, in decine di laboratori sparsi per il mondo, hanno passato lunghi e pazienti anni a mappare e sequenziare, base per base, l'imponente (3 miliardi di basi nucleotidiche, o giù di lì) Dna dell'uomo?
E, insieme, emerge un ben più rilevante problema scientifico: cosa ce ne faremo di questa enorme mole di dati, se ci sono ignote le funzioni di almeno due geni umani su tre, persino tra i pochi che abbiamo già individuati e classificati?
Il primo problema, quello sociologico, ha contribuito ad aguzzare le menti di molti biologi e a trovare una soluzione possibile al secondo problema, quello scientifico. L'idea parte da una constatazione banale. Il gene è informazione pura. Non ha capacità operative. Sono le proteine che operano. Dentro e fuori le cellule. I geni si esprimono solo e unicamente attraverso le proteine, di cui appunto possiedono il codice per la sintesi. Allora l'idea è che, se vogliamo scoprire le funzioni di tutti i geni e dare significato al lavoro eseguito nell'ambito del Progetto Genoma Umano, una delle migliori strade da battere è individuare tutte le proteine codificate dai geni dell'uomo; capire quali sono i loro compiti operativi; verificare come li assolvono. In altri termini occorre ideare, finanziare e realizzare un nuovo grande progetto di ricerca: un progetto che, per analogia con il Progetto Genoma, possiamo chiamare Progetto Proteoma Umano.
In realtà, la genomica funzionale (trovare una funzione ai geni e descriverla) è un po' più complessa. Il Dna, che possiede il codice genetico, deve essere trascritto, prima di essere tradotto nel linguaggio delle proteine. E la trascrizione, avviene nel corpo del Rna: in particolare i geni del Dna vengono trascritti in molecole di Rna chiamate messaggere, che si dirigono poi verso i ribosomi, le "fabbriche" dove il codice viene infine realizzato sotto forma di proteina. Tuttavia le proteine, per quanto siano molecole universali, multifunzionali e onnipresenti, non sono le uniche a muoversi nelle cellule. La vita cellulare non è assicurata solo dalle macromolecole proteiche, ma anche da molecole più piccole, di diversa natura chimica, che possiamo chiamare collettivamente metaboliti. La genomica funzionale o, se volete, la vita delle cellule ha, dunque, diversi livelli e moltissimi protagonisti. Stephen Oliver, biologo inglese dell'università di Manchester, le ha divise in almeno quattro grandi aree di studio: la genomica, che consiste nello studio dell'insieme di tutti i geni di un organismo; la trascriptomica, ovvero lo studio di tutti gli Rna-messaggeri; la proteomica, lo studio di tutte le proteine; e, infine, la metabolomica, ovvero lo studio di tutti i metaboliti. Solo quando avremo una descrizione soddisfacente di questi quattro ambiti, e delle loro dinamiche interazioni "in vivo", ovvero negli organismi viventi e non solo in laboratorio, potremo davvero dire di conoscere le cellule e la vita nella loro dimensione molecolare. Il Progetto Proteoma Umano è, quindi, solo una tappa di un più generale e, almeno per ora, del tutto virtuale Progetto Genetica Funzionale Umana. Tuttavia è una tappa molto importante. Forse la più importante. E la più difficile da portare a termine. Molto più difficile del Progetto Genoma Umano. Per svariati motivi, teorici e pratici, che proveremo a elencare.
I motivi teorici. Le proteine sono molto più numerose dei geni. Di recente abbiamo scoperto, infatti, che l'antico postulato dei biochimici, "un gene, una proteina", non è esattamente valido. Un gene contiene, sì, le istruzioni per la sintesi di una sola molecola proteica. Ma poi questa proteina, nel complesso ambiente cellulare e in certe date condizioni, può essere modificata. Cosicché, persino nel più semplice tra gli organismi viventi, il batterio, il numero di proteine è di almeno il 25% più grande del numero di geni. Nell'uomo il rapporto geni/proteine è di circa 1 a 3. Cosicché nelle cellule di ciascuno di noi sono presenti alcune centinaia di migliaia, c'è chi dice almeno mezzo milione, di macromolecole proteiche. D'altra parte, se la differenza genetica tra gli individui della specie umana è piuttosto ricca, la differenza proteica è ricchissima. Ciascuno di noi ha un set di proteine praticamente unico. Cosicché il numero delle proteine umane è davvero difficile da calcolare.
Ma, a complicare il quadro teorico del Progetto Proteoma, c'è il fatto che mentre i geni sono sempre presenti e tutti nel medesimo rapporto (1:1), in un luogo preciso, il nucleo, delle nostre cellule eucariote, le proteine si muovono nell'intero ambiente cellulare e non sono mai contemporaneamente presenti e, comunque, mai alla medesima concentrazione. Anzi, ogni stato cellulare è caratterizzato dalla presenza di un diverso insieme di proteine. Il Progetto Proteoma Umano pertanto dovrà prendere in considerazione una variabile, la variabile tempo, che non agiva nell'ambito del Progetto Genoma. Di più. Le condizioni generali di un intero organismo influenzano la presenza di specifiche proteine. Se ho partecipato a una gara sportiva, se ho fatto l'amore, se mi sono lasciato prendere dall'entusiasmo a tavola o se ho letto un libro impegnativo, il mio quadro genetico non ne è modificato, ma il mio quadro proteico sì. Nel Progetto Proteoma irrompe, dunque, la storia degli individui, che risulta assente nel Progetto Genoma.
Le proteine, infine, non agiscono mai da sole. Ma quasi sempre in associazioni con altre, in una cascata complessa di interazioni. Tanto che la proteomica non può essere definita semplicemente come lo studio delle proteine, ma come lo studio simultaneo di molte proteine interagenti. Solo questo studio ci può far comprendere le loro funzioni in un ben definito stato della cellula.
Certo, anche i geni raramente agiscono da soli. In genere, quando il Dna si esprime, a mobilitarsi sono intere costellazioni coordinate di geni. Ma, ancora una volta, le interazioni fra le proteine sono più numerose e più complesse di quelle fra geni. L'obiettivo di individuarle e di spiegarle, quelle interazioni, appare, allo stato, piuttosto lontano.
I motivi pratici. I biologi coinvolti nel Progetto Genoma, soprattutto dopo le innovazioni proposte da Craig Venter, hanno a disposizione tecniche relativamente veloci per individuare, isolare, mappare e sequenziare un gene. I biologi che oggi si occupano di proteomica hanno a disposizione un metodo relativamente lento per separare le proteine: l'elettroforesi su gel in 2D (due dimensioni). Con questa tecnica un biologo può giungere a isolare e poi, con altri metodi, a identificare centinaia di proteine in una settimana. Ma, per quanto molto sensibile, l'elettroforesi su gel non riesce a separare tutte le proteine. Per le proteine idrofobiche (che non amano l'acqua), per le proteine con peso molecolare o molto alto o molto basso occorre ricorrere ad altre tecniche, più complicate e lente. E nonostante ciò, si calcola, che il 20% del proteoma può sfuggire alla separazione e all'isolamento del più abile degli analisti biochimici.
Una volta separate, isolate e quantificate le varie proteine, occorre identificarle. L'operazione avviene, in genere, con una tecnica che si chiama spettroscopia di massa che per queste macromolecole, costituite da lunghe catene di 20 diversi amminoacidi, è più complicata e lenta che non per il Dna e l'Rna, costituiti da lunghe catene di soli 4 diversi acidi nucleici. In altri termini i biochimici che studiano il proteoma non hanno a disposizione tecniche altrettanto veloci e affidabili dei loro colleghi che studiano il genoma.
Le difficoltà teoriche e pratiche che si incontrano nell'analisi delle proteine, non hanno impedito che, una ventina di anni fa, nascesse e si sviluppasse una scienza del proteoma. Capace non solo di individuare, isolare e identificare gruppi interessanti di proteine. Ma capace anche di ricostruire
le loro reciproche interazioni.
La proteomica ha ottenuto anche importanti successi, come dire, globali. Nel senso che sono state identificate (quasi) tutte le proteine di un intero organismo vivente e ricostruite le loro reciproche interazioni. Di recente ci sono riusciti, per esempio, Peter Uetz e i suoi collaboratori dispersi tra l'università di Washington, a Seattle, e la Cura Gen Corporation, di New Haven, Connecticut, Stati Uniti, che hanno identificato le circa 6.000 proteine di un lievito, il "Saccaromyces cerevisiae" e ne hanno ricostruito le reciproche interazioni.
La proteomica è scienza ancora giovane, ma non più infantile. E ha ormai la possibilità di accettare la grande sfida. Insomma, come sostiene su "Nature" Mathias Uhlén, direttore del Centro di Proteomica presso il Reale Istituto di Tecnologia a Stoccolma, Svezia: "è tempo di parlare di un progetto proteoma umano globale e di fissarne le scadenze". L'importante è cominciare. Gli strumenti per vincerla questa sfida, prima o poi saranno trovati. Parola di Craig Venter, fondatore della Celera Genomics, l'uomo che ha dato una spinta formidabile al Progetto Genoma.
Già, ma chi deve realizzarlo, questo progetto, chi deve guidare il Progetto Proteoma? Un pool internazionale coordinato di centri di ricerca pubblici e privati, come è avvenuto per il Progetto Genoma Umano, o deve ssere lasciato, come dire, alla libera iniziativa delle sole aziende private? Leigh Anderson, della "Large Scale Biology Corporation", una delle più grandi aziende private che si occupano di proteomica, non ha dubbi e lo dichiara a "Nature": "un progetto sul larga scala relativo sul proteoma umano dovrebbe essere portato avanti dalle aziende private e non da centri di ricerca pubblici". il motivo che spinge Anderson a questa secca dichiarazione non è solo il fatto che un progetto che coinvolge pool internazionali di centri pubblici è più lento e farraginoso di un progetto realizzato, in cooperazione ma anche in competizione, da privati. Il motivo è anche, e soprattutto, che il progetto proteoma, a differenza del progetto genoma, promette applicazioni immediate. E, quindi, guadagni immediati. Ecco perché già oggi molte aziende finanziano le ricerche sul proteoma. E si dichiarano disposte a finanziare la grande corsa al proteoma umano. Naturalmente una gestione tutta privata del più grande progetto di ricerca nel campo delle scienze della vita, finalizzata al brevetto piuttosto che alla diffusione delle conoscenze, potrebbe frenare e non accelerare i benefici per l'umanità che derivano dalla ricerca, come hanno riconosciuto di recente il presidente degli Stati Uniti, Bill Clinton, e il Primo Ministro di Sua Maestà Britannica, Tony Blair. E potrebbe portare a qualche paradosso. Tipo un'azienda che brevetta (la tecnica per identificare e sequenziare) un gene umano e un'altra azienda che brevetta (la tecnica per identificare esequenziare) la proteina (o le proteine) espresse da quel gene. Avremmo troppi interessi, più o meno legittimi, in conflitto. E troppi colli di bottiglia dove la conoscenza sulla natura più intima dell'uomo rischierebbe di bloccarsi. | 
