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Ricercatori della SISSA di Trieste ricostruiscono modello tridimensionale del genoma umano

Trieste - Un gruppo di ricercatori coordinato dalla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste ha ricostruito al computer un modello tridimensionale del genoma umano.

La forma del DNA (oltre alla sua sequenza) incide significativamente sui processi biologici ed è dunque fondamentale per conoscerne la funzione. Questo lavoro ha fornito un primo identikit tridimensionale per il genoma umano, approssimato ma realistico.

Grazie alle caratteristiche della nuova metodologia, la ricostruzione strutturale basata su informazioni sperimentali e su metodi statistici è destinata a perfezionarsi man mano che saranno disponibili nuovi dati sperimentali.

La ricerca, condotta in collaborazione con l’Università di Oslo, è stata pubblicata su Scientific Reports (una rivista del gruppo Nature).

Il sequenziamento del genoma è una pietra miliare della biologia moderna perché permette di accedere all’intera “lista di istruzioni” (la sequenza chimica del corredo genetico) per lo sviluppo e la funzionalità degli organismi.

Sequenziare il genoma è un po’ come scrivere su un foglio la serie esatta dei colori delle perline di una collana: pur sapendo come questi si succedono lungo il filo non possiamo però conoscere la forma della collana.

La forma del filo di DNA può essere molto articolata. Nel nucleo cellulare infatti i cromosomi sono “sciolti” in una matassa apparentemente caotica. La forma dei cromosomi può avere un’influenza decisiva sul loro funzionamento ed è dunque fondamentale conoscerla, anche perché, secondo gli scienziati, la matassa del DNA nel nucleo è solo apparentemente caotica e avrebbe invece una “geografia” precisa e tipica per i vari tessuti e stadi di vita cellulare.

“Descrivere con precisione la forma della matassa formata dai cromosomi è purtroppo incredibilmente complicato”, spiega Cristian Micheletti, professore della SISSA e coordinatore del nuovo studio. “Nel nostro caso ci siamo basati sulle informazioni sperimentali sulle ‘coppie di prossimità’”.

“Provate a immaginare di dover ricostruire la mappa di una città”, spiega lo scienziato, “avendo però a disposizione soltanto informazioni del tipo ‘la posta si trova davanti alla stazione’, ‘la farmacia è vicina alla palestra’; ‘il mercato ortofrutticolo è nei pressi del campo di calcio’ e via dicendo. Se avete poche di queste informazioni la vostra mappa sarà grezza, e in alcuni casi indeterminata. Ma se ne avete centinaia, migliaia, o ancora di più, allora la vostra mappa diventerà sempre più precisa e aderente alla realtà. Questa è stata la logica che abbiamo seguito”.

Le coppie di prossimità sono quindi le informazioni sulla vicinanza fra due punti della mappa. Quelle del DNA nel nucleo cellulare sono state fornite da una tecnica (definita “geniale” da Micheletti) denominata Hi-C, sviluppata nel 2010 da alcuni gruppi di ricerca statunitensi.

In questa tecnica chimico/fisica vengono legati assieme pezzetti di genoma che si trovano vicini nel nucleo, e questi sono poi identificati dalla loro sequenza. Raccogliendo grandi quantità di queste coppie di prossimità si è così scoperto quali punti dei cromosomi si trovano vicini nel nucleo. Questa è oggi la tecnica più potente per indagare l’organizzazione del DNA nel nucleo ma resta ancora insufficiente per dedurne la forma complessiva. “Per questo abbiamo pensato di provare ad andare ‘oltre’”, commenta Micheletti.

La mappa dei “vicini”
“Abbiamo usato un database pubblico di coppie di prossimità derivanti, inizialmente, da un unico esperimento di Hi-C. Nel database erano contenute le informazioni su centinaia di migliaia di coppie di prossimità”, spiega Marco Di Stefano, ricercatore che nel 2014 si è dottorato (proprio con questo lavoro) alla SISSA e primo autore della ricerca. Di Stefano è attualmente post-doc al Centro Nazionale di Analisi Genomica di Barcellona. I ricercatori hanno creato un modello virtuale “coarse grained” (con cioè un certo grado di semplificazione) di tutti i cromosomi in una conformazione tridimensionale “base”. Hanno poi identificato i punti dove si situavano i due pezzetti di DNA di ciascuna coppia di prossimità, per poi  avvicinarli, piegando opportunamente il filamento.

“Facendo quest’operazione per tutte le coppie di prossimità note sperimentalmente abbiamo ottenuto una struttura, ingarbugliata ma non casuale, che ci ha svelato la forma di tutti i cromosomi del genoma umano, che risiedeva nascosta nei dati”, spiega Di Stefano. “Va da sé che più coppie si usano, più preciso sarà il modello 3D che otterremo”.

In realtà Micheletti e colleghi, dopo questa prima fase, hanno aggiunto al modello una nuova serie di dati sperimentali. “Proprio mentre stavamo lavorando è stato pubblicato un nuovo set di dati Hi-C, più dettagliato del precedente, per cui abbiamo utilizzato anche quelli”, racconta Micheletti. “A dire il vero avevamo un po’ di timore che la nostra nuova metodologia non fosse ancora abbastanza robusta e che la nuova serie di dati potesse entrare in conflitto e ‘sfasciare’ il modello 3D precedentemente ottenuto. Ma quasi con stupore abbiamo visto che l’assetto rimaneva piuttosto simile al precedente. Anzi, veniva semplicemente raffinato grazie ai nuovi dati e quasi per incanto le varie zone dei cromosomi andavano a collocarsi nei punti corretti del nucleo. Questo ci convince ancor più di essere riusciti a descrivere con buona approssimazione il dato reale, e speriamo che i dati raccolti in futuro ci consentano di svelare con sempre maggior dettaglio la forma del DNA racchiuso nelle nostre cellule”.

50mila visitatori a Trieste Next 2016, il Salone europeo della ricerca scientifica di Trieste. Foto

Trieste - Bilancio di grande soddisfazione per la quinta edizione di Trieste Next, il Salone europeo della ricerca scientifica - promosso da Comune di Trieste, Università di Trieste e VeneziePost - con la copromozione di Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia, Area Science Park, Sissa Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, Camera di Commercio di Trieste.

Per tre giorni, da venerdì 23 a domenica 25 settembre, Trieste Next ha invaso il centro cittadino con incontri, dibattiti, lectio, laboratori, spettacoli, attività didattiche e ricreative tutte incentrate su ricerca scientifica e impresa a confronto sul passaggio da homo sapiens a homo technologicus, tema portante di questa edizione titolata "Umano Post - Umano".

Trieste Next non solo ha raccontato e celebrato l’eccellenza scientifica della città di Trieste a livello internazionale, ma ha innescato proficui dialoghi e relazioni tra il mondo della ricerca e quello dell’impresa, affrontando in diversi appuntamenti il tema del trasferimento tecnologico. Uno scambio quanto mai vivo in Friuli Venezia Giulia, regione d’eccellenza a livello nazionale nel BioHighTech, settore che riunisce oltre 150 imprese (5000 addetti e un fatturato complessivo di oltre 800 milioni di euro), unico distretto tecnologico italiano che abbraccia tutte le scienze mediche, chirurgiche e della vita.

La risposta del pubblico è stata entusiasta. Affollati tutti gli spazi e gli appuntamenti in programma, oltre un centinaio, con oltre 150 presenze tra relatori nazionali e internazionali. Proposte per tutte le età che hanno trovato grande riscontro da parte dei giovani e giovanissimi, con oltre 2500 studenti delle scuole di ogni ordine e grado, oltre 300 studenti arrivati a Trieste da tutta Italia e 150 giovani volontari a supportare gli sforzi organizzativi dei promotori.

Qui le foto dell’evento, scattate da Stefano Savini:

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Tra gli ospiti, Kathleen Richardson - uno dei massimi esperti internazionali di etica della robotica, il filosofo Miguel Benasayag, Rama Gheerawo, Leonida Mutuku, Enrico Cappellaro, Felice Cimatti, Giorgio Vallortigara, Marcello Monaldi, Luca Illetterati, Alessandro Treves, Cecilia Laschi, Pier Giuseppe Torrani, Thierry Pedrazzini, Giuseppe Remuzzi, Maurizio Ferraris, Gloria Origgi, Barbara Mazzolai, Eliana Liotta, Lucilla Titta, Giuseppe O. Longo, Claudio Tuniz, Mauro Giacca, Alberto Bombassei, Gianpietro Benedetti, Gabriele Beccaria, Umberto Ambrosoli, Massimo Sideri e molti altri..

La partecipazione complessiva di quest’anno ha superato i numeri della passata edizione, con una presenza complessiva che tocca i 50mila visitatori a sottolineare come i temi proposti e l’altissima qualità degli ospiti abbiano suscitato un crescente interesse nel pubblico che ha potuto, ancora una volta, entrare in contatto diretto con l’eccellenza scientifica di una città che con gli oltre 30 istituti di ricerca e una media di 35 ricercatori ogni 1000 occupati (di gran lunga superiore alla media europea che si “ferma” a 5.7 ricercatori) è una vera e propria città-simbolo della scienza e della conoscenza.