Una nuova scienza: la GENETICA

Una nuova scienza: la GENETICA

Alla base di gran parte delle innovazioni scientifiche che governarono il nostro pianeta agli albori del '900, vi è certamente la genetica; definita come la branca della biologia che studia i fenomeni che regolano l'eredità dei caratteri individuali da una generazione all'altra, nonché quelli per i quali si hanno, per variazione, differenziamenti e comparsa di nuovi caratteri nei discendenti. Tutte le proprietà degli organismi viventi, infatti, dipendono da loro corredo genetico. I geni strutturali contengono al loro interno il codice per le catene di amminoacidi che compongono le proteine (alcune di queste, gli enzimi, determinano le proprietà biochimiche di un organismo agendo da catalizzatori nelle reazioni ana- e cataboliche); i geni regolativi, sono invece quelli che controllano l'espressione dei primi.

La capacità di ogni organismo di evolversi e di adattarsi a nuovi ambienti dipende da cambiamenti nella molecola del DNA, che costituisce il suo specifico genoma. In natura, i cambiamenti nella struttura molecolare del DNA possono avvenire per mutazione (cioè per delezione o addizione sulla molecola di DNA di alcune unità), o tramite la riproduzione sessuale (cioè lo scambio di geni tra organismi affini). La ricombinazione genetica nel corso della normale riproduzione sessuale, è mediata da eventi di rottura-riunione delle molecole di DNA contenute nei cromosomi; questo processo ha un ruolo fondamentale per gli organismi viventi, poiché porta al riassorbimento del materiale genetico. Per secoli la manipolazione genetica è consistita nell'incrocio selettivo di particolari varietà di piante e di animali, tecnica con cui si interviene semplicemente sulla variabilità naturale; quindi, le possibilità di intervento sulla variazione genetica erano limitate alle specie affini.

La tecnologia del DNA ricombinante (detta anche ingegneria genetica), apre invece possibilità illimitate alla creazione di combinazioni geniche completamente nuove, cioè non presenti negli organismi che esistono in natura. L'ingegneria genetica può essere definita come la costruzione di nuove combinazioni di materiale ereditario. Tale costruzione si ottiene incorporando una molecola di acido nucleico (un DNA costruito all'esterno della cellula, mediante una qualsiasi delle molte tecniche disponibili) in un virus, in un plasmide batterico o in un altro tipo di sistema vetturale; il vettore inserisce poi il costrutto di DNA in un organismo ospite, all'interno del quale il frammento dell'acido nucleico riesce a riprodursi pur essendo estraneo, ovvero nonostante si formino combinazioni geniche che non esistono naturalmente in quell'ospite.

La possibilità di costruire in vitro molecole ibride di DNA è stata determinata dalla scoperta di enzimi, le endonucleasi di restrizione, che tagliano la molecola del DNA a livello di siti specifici, dando così origine a frammenti particolari. Mediante l'azione di un enzima detto DNA ligasi, i frammenti possono poi essere saldati ad un altro frammento di DNA di qualunque natura, purché trattato con lo stesso enzima di restrizione. Le endonucleasi di restrizione, presenti in natura in molte specie batteriche, sono dotate della capacità di distinguere, attraverso il riconoscimento di particolari sequenze nucleotidiche, il DNA della loro stessa cellula, da uno di origine estranea.

LA REAZIONE A CATENA DELLA POLIMERASI (o PCR) Trattasi di una tecnica straordinariamente importante, in quanto permette di amplificare in modo selettivo un qualsiasi frammento di DNA. L'inventore della stessa è Kary Mullis, insignito, successivamente, del premio Nobel per la chimica. Il processo della PCR si fonda sulla sequenza delle basi azotate lungo i due filamenti che formano la molecola del DNA. Questo, è composto da quattro tipi di deossinucleosidi - l'adenosina (A), la timidina (T), la guanosina (G) e la citidina (C) - che differiscono fra loro solo per la base azotata. I due filamenti, o polimeri di nucleotidi, che compongono ogni molecola di DNA sono tenuti uniti da legami idrogeno, tra coppie di basi appaiate; allora A si appaia solo con T, e G solo con C. Questa complementarietà conferisce la nota conformazione a doppia elica.

La procedura della PCR prevede tre fasi operative:

la denaturazione del DNA; questi viene riscaldato a 95-98^oC, per cui si separa nei due filamenti che lo compongono.

l'annealing (o associazione); a 60^oC vengono aggiunti alla miscela di reazione gli inneschi - o primer - oligonucleotidici, ossia brevi catene a filamento singolo di al massimo 20 basi ottenute per sintesi chimica, che si legano ai filamenti singoli nei punti in cui la loro sequenza è complementare a quella del DNA in esame.

l'estensione ad opera della DNA polimerasi; a 37^oC gli inneschi vengono estesi dalla DNA polimerasi, in presenza dei quattro tipi di deossinucleosidi trifosfato, vengono così sintetizzati nuovi filamenti di DNA, complementari ai filamenti stampo.

Queste tre fasi costituiscono un ciclo della PCR, che si realizza in meno di 2 minuti. Teoricamente un ciclo potrebbe ripetersi in modo indefinito; in realtà i nucleotidi liberi, la polimerasi e i primers, devono essere rinnovati ogni 30 cicli (all'incirca). Durante i 30 cicli, che si svolgono nell'arco di meno di 3 ore, si può ricavare un miliardo di molecole di DNA.

Con la tecnica del DNA ricombinante, oggi, si possono ottenere ormoni, proteine e anticorpi. Tra le più note sostanze prodotte ci sono l'insulina, l'ormone della crescita e l'interferone (proprio l'insulina fu la prima ad essere prodotta con il metodo della clonazione del DNA; negli Stati Uniti si incominciò appunto la produzione di questo ormone nel 1982 utilizzando come batterio produttore l'Escherichia coli). Queste scoperte hanno consentito all'industria la produzione di sostanze su larga scala a costi ridotti, la possibilità di migliorare l'efficacia di farmaci già in uso e l'ottenimento di prodotti altamente purificati e privi di contaminanti allergenici o biologici.

Già da diversi anni, inserendo geni estranei nel patrimonio genetico di alcune piante, si sono ottenute varietà di prodotti della terra che maturano più in fretta o più lentamente e che sono resistenti a freddo, siccità, pesticidi e insetti. Anche per gli animali si sono ottenuti risultati simili con produzione, ad esempio, di carne o latte di migliore qualità per mezzo di animali 'transgenici', cioè contenenti nelle cellule della linea germinale un patrimonio genetico modificato. La terapia genetica si basa sulla possibilità di trasferire geni per correggere, attivare, disattivare un gene difettoso ovvero di inserirne uno mancante. Il potenziale appare enorme ma i benefici concreti sembrano ancora lontani. Queste applicazioni rappresentano quasi certamente il futuro della ricerca biotecnologica nel mondo. Si possono, infine, ottenere vaccini più sicuri ed efficaci eliminando quelle parti del batterio o del virus responsabili di eventi collaterali indesiderati; si evita di manipolare batteri o virus patogeni; si aggira l'ostacolo rappresentato da quegli organismi che è difficile o impossibile far crescere in culture cellulari (è il caso del virus dell'epatite B). Una volta individuato il segmento della proteina batterica o virale che agisce da antigene, viene isolato il frammento di DNA che lo codifica e lo si clona all'interno di un microrganismo non patogeno per ottenere quantità ragguardevoli (il primo vaccino ricombinante è stato quello della rabbia, ottenuto negli Stati Uniti nel 1986).