Clonazione

Il termine deriva dal greco klön, ramoscello, e per clonazione, in biologia, si intende la riproduzione asessuata, naturale o artificiale, di un intero organismo vivente o anche di una singola cellula.

In natura avviene per alcuni organismi unicellulari, per alcuni invertebrati (platelminti, anellidi, ecc.) e per alcune piante.

In agricoltura il termine viene utilizzato per indicare una tecnica che l'uomo utilizza da tempo per riprodurre piante con talee, margotte e innesti.

In ingegneria genetica molecolare o in biotecnologia la parola indica talvolta la riprduzione di tratti di catena di DNA. Nel processo vengono impiegati Vettori di clonazione.

Nella moderna genetica, e nelle scienze biologiche applicate in genere, la clonazione è la tecnica di produzione di copie geneticamente identiche di organismi viventi tramite manipolazione genetica. In questa ultima accezione il termine è divenuto di uso comune a partire dagli anni novanta, quando prima Neal First (1994), quindi Ian Wilmut (il padre della famosa pecora Dolly - 1996) provarono a clonare, con successo, una pecora.

Clonare in laboratorio un organismo, in questo caso, significa creare ex-novo un essere vivente che possiede le stesse informazioni genetiche dell'organismo di partenza. Quindi le moderne tecniche di clonazione prevedono il prelevamento e trasferimento del nucleo di un somatocita (cioè di una cellula somatica) dell'organismo da clonare in una nuova cellula uovo della stessa specie dell'organismo da replicare. Poiché il nucleo contiene quasi^[1] tutte le informazioni genetiche necessarie per realizzare una forma di vita, l'uovo ricevente si svilupperà in un organismo geneticamente identico al donatore del nucleo. ^[2].

Storia della clonazione

1938

Lo studioso tedesco Hans Spemann propone un esperimento di trasferimento nucleare per capire se il nucleo di una cellula differenziata fosse in grado di riprogrammare l'informazione espressa e di controllare lo sviluppo embrionale. Propose di prelevare il nucleo da una cellula di un embrione in avanzata fase di sviluppo e trasferirlo nel citoplasma di una cellula uovo enucleata (privata del suo nucleo). Spemann non poté tuttavia condurre l'esperimento per la mancanza di strumenti adatti alla manipolazione e dissezione delle cellule somatiche e germinali.

1952

R. Briggs e T.J. King misero in pratica l'esperimento proposto da Spemann 14 anni prima sulla rana leopardo (Rana pipiens). Prelevarono il nucleo da una cellula embrionale di rana allo stadio di blastula e lo trasferirono in una cellula uovo enucleata (privata del nucleo). Si sapeva già che i nuclei di blastula erano totipotenti, da questo esperimento si vide che isolandoli ognuno poteva dare origine ad un nuovo individuo. Il 60% di tutti i nuclei trasferiti portarono a girini, ma non superarono mai questo stadio. Prelevando nuclei ad un livello di differenziazione maggiore si aveva una drastica diminuzione delle probabilità di successo (questa limitazione fu superata successivamente con la sincronizzazione tra cellule somatiche donatrici e cellula uovo, infatti è molto importante che le cellule somatiche siano in uno stadio di quiescenza e completamente differenziate, inoltre devono appartenere ad una categoria di cellule che si replica rapidamente). Da questo esperimento comunque si iniziarono a formulare alcune domande:

il nucleo anche se differenziato contiene l'intero corredo genetico?
questo può essere riprogrammato per lo sviluppo di un nuovo individuo?
le interazioni oocita-nucleo trasferito permettono di ridifferenziare il nucleo e di dirigerne lo sviluppo?

1981

Né loro né altri ricercatori riuscirono a ripetere l'esperimento con successo. Questo fallimento por derivare.

1986

Da questa data in poi vengono effettuati trasferimenti nucleari da embrioni di bovini, suini e ovini ottenendo migliaia di cloni.

Dolly esposta al Royal Museum of Scotland

1997

Nasce Dolly, il primo animale clonato a partire da cellule somatiche adulte e quindi completamente differenziate. L'esperimento fu effettuato dal gruppo di ricerca di Ian Wilmut e pubblicato su Nature. Vennero prelevate cellule dalla ghiandola mammaria di una pecora adulta di razza Finn Dorset, furono disgregate e mantenute in un terreno di coltura privo di alcuni nutrienti per rallentarne la divisione cellulare e bloccarle in una fase del ciclo chiamata G0 (stadio di quiescenza). È infatti importante per la riuscita del trasferimento che l'ovocita e il nucleo donatore siano in sincronia. Le cellule furono poi incubate in un terreno contenente il virus Sendai il quale si lega alla membrana plasmatica delle cellule somatiche e serve successivamente a facilitarne la fusione con l'ovocita. Furono trasferite 277 cellule somatiche in altrettanti ovociti prelevati da pecore di razza diversa. Di questi, 29 si svilupparono fino allo stadio di morula/blastocisti e vennero trasferiti nell'utero di 13 femmine surrogate. Di queste 29 blastocisti solo una completò lo sviluppo fino alla nascita, la famosa Dolly.

1998

Yanagimachi Ryuzo e il suo gruppo di ricerca riescono finalmente ad ottenere la nascita di topolini a partire da nuclei somatici in oociti enucleati (l'esperimento di Illmensee che non si era riusciti a ripetere). Furono utilizzati altri tipi cellulari come donatori del nucleo: le cellule follicolari del cumulo ooforo (circondano l'oocita ovulato a formare una corona chiamata appunto cumulo ooforo), le cellule del Sertoli (componente somatica del tubulo seminifero, regolano l'andamento della spermatogenesi) e le cellule nervose (dalla corteccia cerebrale di individui adulti). In questo esperimento invece di far fondere le membrane dell'oocita e della cellula somatica con l'aiuto del virus Sendai si è preferito estrarre e trasferire direttamente il nucleo all'interno dell'oocita. Solamente le cellule follicolari sono state in grado di svilupparsi fino alla nascita.

Dopo 80 anni

Nel 1902 Hans Spemann, un embriologo tedesco, divise in due un embrione di salamandra composto da due cellule. Seguendo la divisione, ciascuna cellula crebbe fino a diventare una salamandra adulta, provando che le prime cellule di un embrione trasporta tutta l'informazione genetica necessaria per creare un nuovo organismo. Questi risultati contraddicevano le ipotesi del 1885 di Weismann che la quantità dell'informazione genetica trasmesso da una cellula diminuisce con la divisione di ciascuna.

Spemann non riuscì a dividere le cellule dell'embrione di salamandra come Hans Adolf Edward Dreisch fece prima con il suo esperimento sui ricci di mare. Al contrario Spemann creò un cappio da un singolo capello del suo piccolo figlio e strinse il cappio intorno all'embrione finché divise le due cellule dell'embrione.

Spemann ripeté l'esperimento, dividendo separatamente le cellule di embrioni più sviluppati diversamente dal primo esperimento, solo metà dell'embrione crebbe da queste più sviluppate cellule di embrione da questi suoi risultati Spemann concluse che a un certo punto dello sviluppo di un embrione, che Spemann chiamò "determinazione" , la specializzazione delle cellule dell'embrione è determinato. In accordo con le scoperte di Spemann, solo prima di questo momento un intero organismo può essere creato da una singola cellula di embrione.

Clonazione nelle piante

Un esperimento fatto nel 1958 da F.C. Steward e colleghi per verificare se cellule adulte e differenziate di piante avessero un corredo genetico completo consistette nell'isolare piccoli pezzi di floema dalle radici di carota che vennero poi messi in piastre contenenti latte di noce di cocco. Questo liquido contiene tutti i fattori e le sostanze nutritive necessarie per l'accrescimento e gli ormoni per la differenziazione della pianta.

In queste condizioni le cellule proliferarono e si formò una massa di tessuto chiamata Callo. Le piastre vengono fatte ruotare per provocare la disgregazione di questa massa e il distacco di cellule nella sospensione.

Le cellule vengono isolate e danno origine a noduli cellulari simili a radichette. I noduli vengono infine posti in terreno di coltura solido e da questi si osserva lo sviluppo di una nuova pianta di carota completa e fertile.

L'esperimento è favorito dall'elevata capacità rigenerativa delle piante, la clonazione vegetale è infatti praticata normalmente in natura come metodo di propagazione della specie, inoltre mentre negli animali le cellule germinali rappresentano una popolazione distinta e separata, le piante derivano normalmente i loro gameti da cellule somatiche. Non sorprende quindi che una singola cellula di pianta isolata possa dare origine a tutti gli altri tipi di cellule e formare un nuovo individuo identico al donatore della cellula.

Motivazioni scientifiche

Fra i possibili scopi della clonazione occorre citare i seguenti:

Tutelare la biodiversità e le specie in via di estinzione. Nel caso non esistano più esemplari maschi, ad esempio, la clonazione ricrea tali esemplari ripristinando la possibilità della nascita di generazioni successive. Se è estinta la femmina, la clonazione di una specie simile può permettere comunque un parziale recupero.
Selezionare gli esemplari migliori di una specie poi riprodotti in larga scala tramite clonazioni cellulari in laboratorio.^[3]. Il metodo permette di ottenere esemplari adatti agli scopi desiderati in gran numero.
Sostituire la normale modalità riproduttiva quando le esigenze dell'allevamento, ad esempio la castrazione che si effettua per ottenere animali da carne con certe caratteristiche, o le patologie (come la sterilità), la rendono impossibile.

Problematiche aperte

La possibilità di riproduzione ripetuta di un essere vivente tramite clonazioni successive rappresenta una sorta di immortalità del genotipo che pone dubbi sulla opportunità di percorrere tale via. In tal modo si interrompono artificialmente i meccanismi evolutivi della selezione naturale e della speciazione, già descritti da Charles Darwin. Le problematiche eugenetiche investono anche questo campo, ma per approfondire tali aspetti si rimanda alle voci seguenti:

Il ruolo del DNA mitocondriale

Durante gli esperimenti postumi su animali clonati sia con tecniche di clonazione che con tecniche di trasferimento nucleare si rese evidente una anomalia che si ipotizzò potesse essere in qualche modo implicata nella apparizione di diverse patologie nei cloni, patologie che sono appunto ascrivibili a una non corretta ricombinazione del nucleo. Inaspettatamente infatti nel genoma del clone non sembrava essere presente una sensibile preponderanza del DNA mitocondriale dell'oocita rispetto a quello del nucleo impiantato. Questo aspetto risultò peculiare in 7 bovini clonati su 10 analizzati. Nel caso della pecora Dolly invece risultava normalemente il DNA mitocondriale della cellula uovo quello presente nel genoma mitocondriale. Si può quindi ipotizzare che il DNA mitocondriale venga ereditato secondo meccanismi ancora oggi solo parzialmente conosciuti.

Note

^ Il DNA mitocondriale, che non è trasferito in questo processo, è generalmente ignorato, poiché si pensa che i suoi effetti sugli organismi viventi siano relativamente secondari.
^ Non si può mai avere un organismo identico anche somaticamente o per tutti gli altri aspetti. Le condizioni ambientali influenzano lo sviluppo e non sono riproducibili le interazioni tra l'organismo e fattori esterni.
^ Science Gate