La Manipolazione Genetica

La Manipolazione Genetica

La scoperta del DNA ha permesso, in tempi sorprendentemente brevi, la comprensione dei meccanismi dell'espressione dei geni che regola il ciclo vitale di ogni singola cellula e, quindi, degli organismi che dalle cellule sono formati. Le conoscenze sempre più approfondita della biologia molecolare ha permesso di isolare, analizzare e manipolare le molecole di DNA creando una tecnologia che oggi ha rivoluzionato tutti i campi della biologia sperimentale: dalla biologia cellulare alla biochimica, alla genetica e alla fisiologia.

Il sorprendente avanzamento 'quasi giornaliero' delle tecniche di biologia molecolare ha portato allo sviluppo esponenziale di questa nuova disciplina, che le permette di essere applicata nei campi più svariati come quello medico o industriale, ma anche nel settore dell'agricoltura e della zootecnia.

Nel 1971 la comunità scientifica iniziò a preoccuparsi circa la sicurezza degli esperimenti di clonazione genica. Questo accadde perché i primi esperimenti di questo tipo riguardavano la clonazione di genomi a DNA di virus tumorali in cellule di Escherichia coli, un batterio che si trova in grande abbondanza nell'intestino umano.

Si temeva infatti che l'Escherichia coli manipolato in laboratorio e infettato con virus tumorali potesse trasmettersi all'uomo provocando il cancro.

Così un gruppo di biologi molecolari si riunì ad Asilomar in California. Essi furono concordi con lo stabilire norme di controllo sugli esperimenti di clonazione del DNA non sapendo se questi fossero o non fossero pericolosi.

Per evitare i rischi che la manipolazione del DNA poteva comportare, si stabilì che la clonazione del DNA avvenisse solo su batteri resi innocui geneticamente, incapaci quindi di infettare l'uomo o altri animali.

Un anno dopo queste proposte vennero approvate dal governo degli Usa.

Con il passare degli anni si accumularono sempre più dati che evidenziavano il basso rischio degli esperimenti sul DNA ricombinante, così che la tecnica di manipolazione del DNA è diventata molto diffusa: si può dire che non esiste campo biologico nel quale non venga usata.

Una regola che è stata stabilita dalla comunità internazionale degli operatori nel campo della biologia molecolare è quella, inderogabile, che qualsiasi manipolazione genetica su cellule umane ha il solo scopo di identificare malattie causate da difetti genetici, e deve essere quindi compiuta solo su cellule somatiche, cioè sulle cellule che costituiscono il corpo di un individuo e che non sono trasmesse alle generazioni filiali.

La bioetica infatti vieta qualsiasi intervento sulle cellule germinali, il cui patrimonio genetico è trasmesso ai figli.

La notevole lunghezza delle molecole di DNA ha imposto ai biologi di escogitare strategie nuove per manipolarlo, concorrendo allo sviluppo rapidissimo della biologia molecolare. Tramite la biologia molecolare negli ultimi anni sono state fatte significative conquiste scientifiche senza precedenti nella storia della ricerca biologica. Le attuali tecniche del DNA ricombinante permettono di isolare i singoli geni dal genoma di una cellula e di introdurli in altre cellule dove possono essere espressi.

Per capire bene l'organizzazione del DNA è necessario scoprire la precisa successione dei nucleotidi che lo compongono, proprio come bisogna leggere le parole di un libro se si vuole conoscerne il contenuto. Per fare questo occorre tagliare il DNA in piccoli pezzi più maneggevoli. Intorno agli anni Settanta si conoscevano degli enzimi che tagliavano il DNA in modo aspecifico, ossia senza una regola fissa e a caso.

Infatti questo tipo di enzimi, detti generalmente nucleasi, digeriscono i legami fosfodiestere che legano i singoli nucleotidi nella catena del DNA. Tagli eseguiti con questi enzimi non erano di alcuna utilità perché producevano frammenti tutti diversi, per i quali era impossibile stabilire l'ordine originale nella molecola di DNA da cui provenivano. Il grande passo avvenne con la scoperta degli enzimi di restrizione. 

I ricercatori si accorsero che vari ceppi batterici avevano una serie di enzimi, detti endonucleasi di restrizione, capaci di tagliare il DNA in punti precisi. Questo rappresenta un sistema di difesa dei batteri contro l'invasione di DNA estraneo, come quello dei batteriofagi.

Da quanto appena spiegato si può dedurre che due molecole di DNA di origine completamente diversa possono essere legate insieme se precedentemente sono state tagliate con lo stesso enzima di restrizione che produce frammenti con estremità coesive.

Il DNA di qualsiasi organismo può essere suddiviso in frammenti che possono essere agevolmente manipolati, cioè sequenziati, clonati ed espressi dopo essere stati inseriti in cellule diverse da quelle in cui sono stati prodotti. Per fare tutto questo occorre 'identificare' i frammenti prodotti dagli enzimi di restrizione.

Il DNA in esame viene tagliato da un enzima di restrizione scelto arbitrariamente e i frammenti prodotti vengono in seguito separati mediante elettroforesi su gel d'agarosio, processo nel quale, sotto l'azione di un campo elettrico, le molecole di DNA cariche negativamente migrano attraverso un gel poroso di agarosio.

I frammenti possono avere diverse dimensioni a seconda di quante volte le sequenze riconosciute dall'enzima di restrizione sono rappresentate nel DNA in questione. La velocità con cui le molecole di DNA migrano attraverso i pori del gel è funzione della loro lunghezza: i frammenti più piccoli migrano molto più velocemente di quelli grandi, che più difficilmente passano attraverso le maglie del gel. Colorando il gel con speciali sostanze che si legano al DNA,  si può vedere una serie di bande ognuna delle quali corrisponde a un preciso frammento di restrizione del quale si può stabilire la dimensione confrontandolo con molecole di DNA di dimensione nota.

Inoltre se un genoma viene trattato con enzimi di restrizione diversi si avranno necessariamente frammenti di restrizione differenti. In generale gli enzimi di restrizione più utili sono quelli le cui sequenze di riconoscimento sono rare e che quindi producono un minor numero di frammenti più facilmente separabili su gel d'agarosio.