È uno stupendo pomeriggio soleggiato di fine settembre. Bergamo si appresta ad accoglie nel contesto di «BergamoScienza» una donna straordinaria: scienziata, personalità eclettica e premio Nobel per la chimica del 2018. Ha tracciato la strada per evolvere il DNA e creare nuovi enzimi.
Vi presento Frances Hamilton Arnold
Originaria di Pittsburgh in Pennsylvania, Frances Hamilton Arnold inizia la sua carriera scientifica alla Princeton University laureandosi in ingegneria meccanica e aerospaziale alla quale seguirà il dottorato in ingegneria chimica alla Berkeley dove svilupperà l’interesse per la biochimica. Successivamente completerà un post dottorato in chimica biofisica e intraprenderà la carriera universitaria che la porterà a diventare docente al Caltech (California Institute of Technology). Durante la sua gioventù ha alternato ai periodi di studio varie esperienze lavorative in paesi come la Corea del Sud, il Brasile, il Colorado e l’Italia, dove ha trascorso un anno presso un’azienda specializzata nella produzione di componenti per reattori nucleari. Qui coglierà l’occasione per viaggiare in moto ed esplorare il bel paese.
Nel corso degli anni riceverà numerosi e prestigiosi riconoscimenti, co-fonderà una start up che produce carburante per razzi da scarti organici e guiderà il suo team di ricercatori del Caltech a scoperte che le varranno la nomina a premio Nobel per la Chimica del 2018. Sarà la quinta donna nella storia ad essere insignita di tale onorificenza. Nel 2021 verrà nominata dal presidente degli USA Joe Biden: membro del consiglio di consulenza di scienza e tecnologia, organo che ha il compito di consigliare il presidente su temi tecnologici e scientifici. Scherzosamente si attribuisce come più grande successo la partecipazione allo show televisivo «The Big Bang Theory» dove reciterà un cameo di sé stessa nella puntata 18 della 12° stagione.
Il lavoro che ha portato Frances al premio Nobel
«Ho studiato ingegneria aerospaziale, perché volevo costruire le cose più complicate ma poi ho imparato che è la biologia che costruisce le più belle e complesse cose sul pianeta» così esordisce la dottoressa Arnold aprendo la conferenza moderata da Mario Salvi a «BergamoScienza». «Sono un ingegnere del mondo biologico che si occupa in particolare di enzimi. Cosa sono gli enzimi? Proteine codificate nel DNA, il codice genetico contenuto in tutti gli esseri viventi. Gli enzimi catalizzano, ovvero rendono possibili le reazioni chimiche del mondo biologico, reazioni che ci permettono di esistere».
All’inizio della sua carriera scientifica, negli anni Ottanta, manipolare il DNA era difficilissimo, ma ora per poche centinaia di euro è possibile sequenziare (ovvero leggere) un intero genoma umano. Pensate che solo all’inizio degli anni Novanta il genoma umano non era ancora stato mappato ed il progetto richiese un colossale sforzo terminato solo nel 2003 e costato 3 miliardi di dollari. Oggi possiamo arrivare a produrre qualsiasi sequenza di DNA, leggerlo, modificarlo, inviare la sequenza ad un laboratorio specializzato e ricevere il DNA fisico via posta.
Possiamo produrlo, ma non possiamo comporlo dal nulla. Cosa significa? Ogni enzima è come una complessa sinfonia di Beethoven, complesso e bello, scritto nel corso di miliardi di anni dall’evoluzione e codificato nel DNA. Scrivere una sequenza di DNA e sperare di ottenere la produzione dell’enzima che desideri è semplicemente impossibile, esistono troppe combinazioni e non abbiamo un criterio con cui comporre.
Quindi come è possibile creare nuovi enzimi?
La dottoressa Arnold ha cominciato a studiare come sfruttare il processo di evoluzione diretta. Un metodo utilizzato nell’ingegneria biologica che imita il processo di selezione naturale per indirizzare la produzione di proteine o enzimi verso un obiettivo definito dallo scienziato.
Tuttavia, per la complessità e il numero pressoché infinito di combinazioni che si possono ottenere mutando a caso il DNA, testare tutti i risultati non sarebbe possibile. Sarebbe come cercare il proverbiale ago nel pagliaio, o più propriamente un ago all’interno di un’intera galassia. L’idea brillante della Arnold è stata di partire dal lavoro teorico di John Maynard Smith del 1970 e modellare il problema dal punto di vista ingegneristico. Approcciandolo come un problema di ottimizzazione, la Arnold capì che si doveva compiere un passo evolutivo alla volta, partendo da un enzima conosciuto e impartendo poche mutazioni per trovare quelle che miglioravano l’enzima. In questo modo diventava possibile scalare la “montagna dell’evoluzione” un passo alla volta. Un processo lento ma che di generazione in generazione portava sempre un po’ più vicini ad ottenere l’enzima desiderato.
Nei successivi 30 anni di attività, i ricercatori sono rimasti stupiti dall’efficienza e la velocità con cui era possibile evolvere le proteine usando questo metodo. Questa tecnica permette di forzare l’evoluzione ad esplorare delle possibilità che in natura sono state scartate, e qui, secondo la dottoressa Arnold, si nascondono le possibilità di vincere le future sfide dell’umanità come: risolvere la crisi climatica, curare il cancro, vivere più a lungo, in maniera più sostenibile e molto altro.
Questo lavoro le varrà l’assegnazione del premio Nobel per la chimica del 2018, che lei così scherzosamente ricorda: «Sono stata invitata a una festa davvero bella a Stoccolma nel 2018 e, cosa posso dire, è davvero buio e freddo a Stoccolma a dicembre ma è bellissimo, tutto il posto è illuminato! La festa si svolgeva in una piccola casa ed è stata davvero piacevole. Se mai foste invitati dovreste assolutamente andare. Successivamente sono andata ad una cena con il Re. A Stoccolma ho portato con me sessanta tra familiari, amici e studenti. È stato davvero un momento indimenticabile».
Le scoperte di Arnold che hanno influenzato il mondo
Il metodo di lavoro sviluppato dalla dottoressa Arnold è risultato fin da subito facilmente applicabile ed è stato velocemente adottato da aziende e istituti di ricerca. È così diventato possibile modificare, migliorare o creare nuovi enzimi che usiamo oggi nelle più disparate applicazioni. Alcuni esempi sono: nell’industria alimentare, zootecnica, cartiera, nella produzione di biocarburanti, nella produzione di reagenti chimici, produzione di reagenti per la biologia molecolare e nel trattamento di rifiuti. Una delle più grandi applicazioni però è nel campo dei detergenti che usiamo quotidianamente. Se oggi possiamo usare detersivi che funzionano benissimo a 20°C e che sono particolarmente efficaci nella rimozione delle macchie più ostinate lo dobbiamo al lavoro della dottoressa Arnold.
Premi Nobel a Bergamo
Incontrare un premio Nobel nella nostra città è stata una grande emozione. La gentilezza e l’eleganza nei brevi convenevoli scambiati con la dottoressa Arnold sono stati sufficienti a trasmettermi l’immensa passione che Frances ha per la scienza, per la ricerca, per la divulgazione per la natura stessa.
Grazie a «BergamoScienza» non sarà l’ultima premio Nobel che vedremo in città. Vi ricordo al riguardo che domenica 13 Ottobre sarà presente Drew Weissman, premo Nobel per la Medicina nel 2023 che insieme a Katalin Karikó scoprì come modificare molecole di mRNA per prevenire le infiammazioni: una scoperta che avrebbe permesso di sviluppare i vaccini contro il COVID-19.