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By a stroke of genius and by change

In the last few months we have found out that we are facing a new epoch-making change. The rule called, “a gene, a protein”- that is all DNA information transferred in one direction only to molecoles which transcribe and translate it as amino acids – has now been questioned once and for all. Transcriptome (RNA) has not only the function of transporting and translating information but also the function of coordinating the complex work to make those thousands and thousands of components active in a cell, helping regulate DNA expression.
These secrets of RNA have been discovered by an international association made up of 190 scientists, called Fantom Consortium 3, whose leader is from Italy, Piero Carninci. We asked him to continue talking about this extraordinary discovery and the new horizons set.
We asked him to do so but from a particular point of view, that perspective related to the model called serendipity which, as written by Robet Merton, “refers to the quite common experience of observing an unpredicted, anomalous and strategic datum, which paves the way to the development of a new theory or improves an existing one” (Bologna, 2002).
To us, the point of view is important for at least three reasons: because it adds another element to a story, that story related to the discovery occurred by a stroke of genius or by chance, which refers to numerous and well-known people -including Francis H. C. Crick and James D. Watson who, as they themselves said, would have never discovered the double helix model related to DNA molecular structure without the help of Jerry Donohue, a young U S crystallographer.
Because it exceeds all usual logical terms related to scientific discoveries, it sees the study developed by a researcher as it really is and highlights what has been done to reach that discovery, as said Richard P. Feynman during his opening speech for the awarding of the Nobel Prize (Science, n°13, 12th August 1966, pgs. 699-708), ” when we write an article published in a scientific journal we usually refine our work as much as possible, hiding all traces, not making things complicated or describing as wrong the first idea occurred to us and so on [… so we end up losing our point of view …], what has been really done to reach that aim”.
Because it helps understand the reasons why in an atmosphere full of socio-cognitive interactions it is more likely that chance will pave the way to that particular discovery.
So, due to the collaboration with Mr Carninci, here we are summarising the new frontier of science related to RNA in the light of the definition of unpredicted, anomalous and strategic event given by the well-known U S sociologist.

Unpredicted event : Merton says that “a study directed to verify an hypothesis paves the way to a chance by-product, to a disregarded observation which is important related to theories which weren’t in doubt at the beginning of the process.
Was this the case occurred to you?

Yes, it was. We started from the idea that the genome produced mRNA (messenger RNA) which in turn produced proteins, that is what is stated by the central dogma related to molecular biology. At that time, late 1990s, it was understood that there were 70 to 100 thousand different genes which code themselves as proteins and these estimates derived from quite complex measurements of the number of RNAs inside a cell.
Our data of cDNA (complementary DNA), that is DNA copied by mRNA, gave consistent results with existing theories which in fact referred to 70-100 thousand but they were in contrast to the number of genes, around 22000, found in the human or murine ( of mice) genome. At the same time we began the analysis of our cDNAs and found out that half of them did not code as any proteins. However it took us a very long time to understand that these cDNAs were not fragments of a genome, cloned by mistake, but they were, in fact, a lot of different RNAs which did not code as proteins.

Anomalous: Meron writes that “the observation is anomalous, surprising because it seems inconsistent with the prevailing theory or with facts already stated. Either way the seemingly inconsistency arouses curiosity, so a researcher is given the opportunity of making sense of that new theory, and he or she puts it in a wider horizon in knowledge”.
What was your anomalous thing, your surprise?

As already suggested, from the analysis of these cDNAs we found these RNAs which did not have anything to do with the “central dogma”, in other words they did not code as proteins. At first we did not know what to do with these objects which seemed undesired and useless. I also had some problems with colleagues who thought that those RNAs were an artificial version of my experiments before taking into consideration something outside the dogma. At a meeting in August 2000 one of them maintained that those RNAs were only junk.
It is meaningful how long it takes you before observations which now seem logical can change the old dogma and how we as scientists are also not so much flexible, in one word it taught us a lot.

You found yourself in the same situation described by Herbert Butterfield. To him, “the most difficult form of mental activities to induce is the art of using the same handful of data as you had before, and placing them in a new system of reciprocical relations by giving them a different basic structure, and that means thinking it over again” (The Origins of Modern Science, 1300-1800, London, G. Bells & Sons, 1949, p.1).

Exactly. Fortunately after a while we started to think about what these RNAs could do and if their presence could help understand some regulating processes related to genes or differential splicing (splicing refers to a process which cuts and put together eukaryotic mRNAs into shorter pieces, which are then utilised by the cell in that form in order to produce proteins. We also noticed that these RNAs are expressed in various tissues, have different regulations and we, finally, decided to see their function, but this is the part already published in Science of September 2.

Strategic: Merton remembers that “when saying that an unpredicted event must be strategic, that is it must have the sort of implications which affect the general theory, we are obviously referring more to what the observer adds to the datum than to the datum itself. It goes without saying that the datum wants an observer to be sensitive from a theoretical point of view, in other words he or she must be capable of finding a rule from single things”.
What can be developed from your discovery?

The basic discovery is that there is a new world made up of RNAs which operate regulating various activities in a cell. Fortunately, working with a genome or transcriptome, all data are filed into public databases, for this reason every lab can improve its research using the Internet, which means universally.
The main observation is that the transcription and production or the presence of certain RNAs operate regulating other types of RNAs. Once understood the detail and specific features, these RNAs may be used as a means to control the expression of other RNAs. If, for instance, one of these RNAs to control were responsible for a desease – e.g. cancer, the possibility of regulating its expression procuces positive results. We know, for example, that drugs modulating gene activities or their products – that is proteins – create side effects and often toxicity. On the contrary everyone of us has RNA, for this reason finding RNA effectors can have huge advantages.

As we will partially see, we will now leave Merton and go to the point called “brain drain”, a situation which affects us all more and more when we meet people like you, who can demonstrate his value only leaving Italy.
It’s been written a lot about your “running away” to Japan in the last few weeks after publishing your discovery in Science. But is it really so? or did you, too, like Troisi (a famous Italian actor-director) – who in the movie called “Ricomincio da tre” must accept the idea of always being an immigrant, as people use to say, and not just a person who is travelling – leave Italy by choice and join the “brain drain” sort of club, not wanting to?

At first I would suggest everyone going abroad for a while, whatever can be his or her field or subject, because learning how to adapt yourselves to different cultures and languages gives you a lot of advantages apart from being an important way to improve yourselves from a personal and cultural point of view. Then I would like to add that unfortunately I did not have the chance to work as a researcher in Italy, even trying to do so for several years, either at a University or for the biotechnological industry.
I had a lot from Italy in terms of education and first work experiences. However just when I could have given something back to my country, there were no organizations collaborating in a productive way, at least in Trieste.
To be sincere before leaving, the idea of going to Japan seemed to me a very complicated and difficult thing. However once landed at Tokyo airport, things immediately changed for the best.
What at once stroke me was the end of the frustration I felt in Italy where questions I usually put to myself were: Will I be paid next salary? Am I supposed to change my job? If I don’t buy meat and only eat spaghetti will I have the money to buy petrol I need to go to the lab?
When in Tokyo I suddenly asked myself how to understand genome function or how to develop new types of technology to analyse many genes in parallel.

Something very different from Italy!

Of course. The fact is that in Japan, like in the USA, research organizations are well-organized (as Merton suggests, not in the interview). To research means to invest in knowledge. Working as a researcher is a real job, meaning that a researcher is not seen as a parasite but one that must produce knowledge (and licences) for the developing of the country.
So it is easy to understand that life in Japan is paradoxically easier than in Italy.

Will you ever get back to Italy?

A lot of people have already asked me this question. I don’t know. You never know! I can say that I dream of a situation where I can live between two different worlds and let them interact, that I’m still collaborating with great pleasure with Italian associations and researchers. But I can’t give up living in a country like Japan and in a city like Tokyo. I am probably too lazy to think of leaving everything here in Japan, get back to Italy and struggle in a University, only to have opportunities which are far smaller than here in Japan.

Per genio e per caso

Abbiamo scoperto da pochi mesi di essere fronte a un nuovo cambiamento epocale. La regola “un gene, una proteina”, secondo la quale il flusso di informazione posseduto dal DNA si trasferisce in maniera unidirezionale alle molecole che lo trascrivono e lo traducono nel linguaggio degli amminoacidi, è messa definitivamente in discussione. Il “trascrittoma” (RNA) ha infatti non solo la funzione di trasportare e tradurre informazioni ma anche quella di coordinare il complesso lavoro teso a rendere integrate ed efficienti le migliaia e migliaia di componenti attive della cellula, di contribuire a regolare l’espressione del DNA.
La scoperta dei segreti dell’RNA si deve al lavoro di un consorzio internazionale formato da 190 scienziati, Fantom 3, che ha come leader un italiano, Piero Carninci. Ed è proprio a lui che abbiamo chiesto di tornare a ragionare di questa straordinaria scoperta e dei nuovi orizzonti che essa determina.
Gli abbiamo chiesto però di farlo da una prospettiva particolare, quella data dal modello di serendipity che, come ha scritto Robert Merton, ”si riferisce all’esperienza, abbastanza comune, che consiste nell’osservare un dato imprevisto, anomalo, strategico, che fornisce occasione allo sviluppo di una nuova teoria o all’ampliamento di una teoria già esistente” (Bologna, 2002).
E’ una prospettiva a nostro avviso interessante per almeno tre ragioni:
perché aggiunge un ulteriore tassello a una storia, quella delle scoperte fatte per genio e per caso, che ha avuto protagonisti numerosi e illustri (ivi compresi Francis H. C. Crick e James D. Watson che, come loro stessi hanno raccontato, senza l’aiuto di Jerry Donohue, un giovane cristallografo statunitense, forse non avrebbero mai scoperto il modello a doppia elica della struttura molecolare del DNA);
perché permette di andare al di là dei termini puramente logici con i quali vengono presentate le teorie scientifiche, di ricostruire il corso dell’indagine così come è stata svolta dal ricercatore, di mettere in evidenza ciò che effettivamente è stato fatto per arrivare a quella scoperta (come ebbe a dire Richard P. Feynman nel corso della sua prolusione in occasione del conferimento del Premio Nobel (Science, n° 153, 12 agosto 1966, pp. 699 – 708) “abbiamo l’abitudine, quando scriviamo gli articoli pubblicati sulle riviste scientifiche, di rendere il lavoro quanto pi� rifinito possibile, di nascondere tutte le tracce, di non prenderla per i vicoli ciechi o di descrivere come la prima idea che si era avuta era sbagliata, e così via, [… cosicché finiamo col perdere di vista …] quello che si � fatto veramente per arrivare a quel lavoro);
perché aiuta a comprendere le ragioni per le quali in ambienti ricchi di interazioni socio – cognitive è più probabile che il caso favorisca determinate scoperte.
Con la “complicità” di Carninci eccoci dunque a ripercorrere le tappe della nuova frontiera dell’RNA alla luce della definizione che il grande sociologo statunitense ha dato di “imprevisto”, “anomalo” e “strategico”.

Imprevisto: Merton afferma che “una ricerca diretta alla verifica di una ipotesi dà luogo ad un sottoprodotto fortuito, ad una osservazione inattesa che ha incidenza rispetto a teorie che, all’inizio della ricerca, non erano in questione”. E’ accaduto qualcosa di simile nel corso del vostro lavoro?

Sì. Eravamo partiti dall’idea che il genoma producesse mRNA (RNA messaggero, N.d.R.) che a loro volta producevano proteine, che corrisponde al dogma centrale della biologia molecolare. Al tempo, alla fine degli anni ’90, si pensava anche che ci fossero 70-100 mila geni differenti che codificano per proteine, e queste stime derivavano da misurazioni piuttosto complesse sul numero degli RNA in una cellula.
I nostri dati sui cDNA (DNA complementare, cioé DNA copiato da un mRNA), ha dato risultati coerenti con le teorie precedenti, che parlavano per l’appunto di 70-100 mila geni, ma erano in contrasto col numero di geni trovati, 22 mila circa, nel genoma umano o murino (il banale topo domestico, N.d.R.). Allo stesso tempo, abbiamo iniziato l’analisi dei nostri cDNA e abbiamo scoperto che una buona metà non codificava per alcuna proteina, ma ci è voluto parecchio tempo per capire che questi cDNA non erano frammenti di genoma, clonati per errore, ma in realtà erano un sacco di RNA diversi che non codificano per proteine.

Anomalo: Merton scrive che “l’osservazione è anomala, sorprendente, perché sembra incongruente rispetto alla teoria prevalente, o rispetto a fatti già stabiliti. In ambedue i casi, l’apparente incongruenza provoca curiosità; essa stimola il ricercatore a trovare un senso al nuovo dato, a inquadrarlo in un più ampio orizzonte di conoscenze”.
Qual è stata, nel vostro caso, l’anomalia, la sorpresa?

Come in parte ho già detto, l’aver trovato dall’analisi dei nostri cDNA, questi RNA che non avevano nulla a che fare col “dogma centrale”, ovvero non codificavano per alcuna proteina. All’inizio, non sapevamo che fare con questi oggetti, che sembravano cose indesiderate ed inutili. Ho avuto abbastanza difficoltà anche con certi colleghi, che ritenevano questi RNA un artefatto dei miei esperimenti prima di considerare qualcosa al di fuori del dogma. Uno di loro, ad un meeting nell’agosto del 2000, ha dichiarato che questi cDNA erano semplicemente “junk” (spazzatura, N.d.R.).
E’ significativo quanto tempo passa prima che delle osservazioni, che ora sembrano logiche, possano cambiare il vecchio dogma e come anche noi scienziati siamo così poco flessibili: un grande insegnamento.

Ti sei trovato nella situazione descritta da Herbert Butterfield, secondo il quale “di tutte le forme di attività mentale la più difficile da indurre […] è l’arte di adoperare la stessa manciata di dati di prima, ma situarli in un nuovo sistema di relazioni reciproche fornendo loro una diversa struttura portante; il che significa praticamente ripensarci su” (The Origins of Moderne Sciences, 1300 -1800, London, G. Bell & Sons, 1949, p. 1).

Esattamente. Per fortuna a un certo punto abbiamo iniziato a pensare a cosa potessero fare questi RNA, e se la loro presenza potesse aiutare ad interpretate alcuni meccanismi di regolazione del gene, o di regolazione dello splicing differenziale (lo splicing è il meccanismo che taglia e ricuce gli mRNA eucariotici in pezzetti più corti, che sono poi utilizzati dalla cellula in questa forma per la produzione di proteine). Abbiamo anche visto che questi RNA sono espressi in vari tessuti, hanno diverse regolazioni, ed alla fine abbiamo deciso di vedere la loro funzione, ma questa è la parte pubblicata su Science del 2 settembre.

Strategico: Merton ricorda che “affermando che il fatto imprevisto deve essere strategico, cioè deve avere implicazioni che incidono sulla teoria generalizzata, ci riferiamo, naturalmente, più che al dato stesso, a ciò che l’osservatore aggiunge al dato. Com’è ovvio, il dato richiede un osservatore che sia sensibilizzato teoricamente, capace di scoprire l’universale nel particolare”.
Quali possono essere gli sviluppi della vostra scoperta?

La scoperta di base è che c’è un mondo nuovo costituito da RNA che funzionano regolando varie attività nella cellula.
Per fortuna, lavorando col genoma e col trascrittoma, tutti i dati vengono depositati nei database pubblici, per cui gli sviluppi possono essere portati avanti da qualsiasi laboratorio che sia in possesso di un collegamento internet, ovvero, universalmente.
L’osservazione principale è che la trascrizione e produzione o la presenza di certi RNA ha la funzione di regolare altre specie di RNA. Una volta capiti i dettagli e la specificità, questi RNA potranno essere usati come strumenti per controllare l’espressione di altri RNA. Se, ad esempio, uno degli RNA da controllare fosse responsabile di una malattia (ad esempio il cancro), la possibilità di regolarne l’espressione produce conseguenze positive. Sappiamo ad esempio che i farmaci che modulano l’attività di geni o dei loro prodotti (proteine) presentano effetti collaterali e spesso tossicità; al contrario, tutti noi possediamo RNA, per cui scoprire gli RNA effettori può dare grossissimi vantaggi.

Lasciamoci, come vedremo solo in parte, alle spalle Merton e veniamo al tema “cervelli in fuga”, sempre di grande attualità quando si incontrano personaggi come te, che solo fuori dall’Italia riescono a dimostrare il proprio valore.
Si è scritto molto, nelle settimane successive alla pubblicazione su Science della vostra scoperta, della tua “fuga” in Giappone. Ma è davvero così? O anche tu come Troisi (che in “Ricomincio da tre” deve arrendersi al luogo comune che vuole che un napoletano non possa viaggiare ma soltanto emigrare) hai lasciato l’Italia per scelta e ti ritrovi iscritto tuo malgrado nel club dei “cervelli in fuga”?

Detto che personalmente raccomanderei a chiunque di andare all’estero per alcuni anni, qualunque sia il campo o la disciplina di suo interesse (imparare ad adattarsi a culture e lingue diverse dà grossissimi vantaggi oltre ad essere un fattore importante di arricchimento personale e culturale), aggiungo che purtroppo in Italia non ho avuto la possibilità di stabilirmi come ricercatore, pur avendoci provato per diversi anni, sia in campo universitario che nell’industria biotecnologica.
Dall’Italia ho avuto tantissimo, in termini di educazione e primi anni di esperienza lavorativa. Tuttavia, nel momento in cui avrei potuto restituire al mio paese qualcosa, non c’e stata nessuna struttura, almeno a Trieste, pronta ad una collaborazione produttiva.
Sinceramente, prima della partenza andare in Giappone mi sembrava una cosa estremamente complicata e difficile. Tuttavia, una volta atterrati all’aeroporto di Tokyo, le cose sono andate immediatamente per il meglio.
Quello che mi ha colpito da subito è la fine della frustrazione che avevo in Italia, dove le domande tipo che rivolgevo a me stesso erano: prenderò il prossimo stipendio? devo cambiare lavoro? se non compero la carne ma mangio solo spaghetti, riesco ad avere i soldi per fare benzina e andare in laboratorio?
A Tokio sono prontamente passato a domandarmi come capire la funzione del genoma o come sviluppare tecnologie che ti permettono l’analisi in parallelo di molti geni.

Una bella differenza.

Proprio così. Il fatto è che in Giappone, come negli Stati Uniti, le strutture di ricerca sono organizzate (ecco che ritorna Merton, N.d.R.), la ricerca è un investimento in conoscenza quella del ricercatore è una professione vera, nel senso che il ricercatore non è considerato un parassita ma uno che deve produrre conoscenza (e brevetti) per lo sviluppo del paese.
E’ facile capire come, con queste premesse, la vita in Giappone sia paradossalmente più facile che in Italia.


In tanti me lo hanno chiesto. Non lo so, del futuro non c’è certezza. Posso dire che sogno una posizione in cui posso vivere tra due mondi diversi e farli interagire, che continuo a collaborare con molto piacere con istituti e ricercatori italiani, ma all’energia che mi dà il fatto di vivere in un paese come il Giappone e in una città come Tokyo non riesco a rinunciare. Probabilmente sono troppo pigro per pensare di lasciare tutto qui, rientrare in Italia e combattere, in qualche università, per avere opportunità molto al di sotto di quelle che ho qui.