1.

Introduzione

Biologia molecolare Disciplina che studia le molecole organiche complesse presenti nella cellula, in particolare DNA (acido desossiribonucleico), RNA (acido ribonucleico) e proteine, allo scopo di mettere in relazione la struttura di ciascuna con la funzione che essa svolge all'interno della cellula stessa e nell'ambito dell'organismo. Le modalità d'indagine della biologia molecolare applicano tecniche che provengono da varie altre discipline, quali la biochimica, la fisica e la genetica. Le scoperte della biologia molecolare trovano applicazione nell'ingegneria genetica (detta anche tecnologia del DNA ricombinante) e nella biotecnologia.

2.

Principali scoperte

1.

Struttura del DNA

La fondamentale scoperta che ha segnato la nascita della biologia molecolare fu l'elaborazione, nel 1953, del modello tridimensionale dell'acido desossiribonucleico (DNA), a opera del biologo statunitense James Watson e del biofisico britannico Francis Crick. Il DNA ha due funzioni fondamentali: da un lato presiede alla conservazione e alla trasmissione dell'informazione genetica da una generazione alla successiva, dall'altro dirige la sintesi delle proteine, molecole necessarie sia alla costruzione che al funzionamento delle cellule. I meccanismi in base ai quali questa molecola presiede a questi processi fondamentali risultano evidenti dall'analisi della sua struttura.

Il DNA è una molecola a doppia elica, formata da due filamenti uniti l'uno all'altro da legami fra quattro subunità, le quali si ripetono in una sequenza variabile lungo tutta la molecola. Queste subunità, dette basi azotate, comprendono l'adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) e la timina (T). Non tutti gli appaiamenti tra basi sono possibili: una A su un filamento si appaia sempre con una T sull'altro, mentre una G si appaia sempre con una C. Prima di ciascuna divisione cellulare il DNA si duplica, in modo tale da trasmettere a ciascuna delle due cellule figlie una copia fedele del patrimonio genetico parentale. Nel corso di questo processo l'informazione contenuta nella molecola viene riprodotta in modo estremamente preciso: i due filamenti si separano e ciascuno di essi funge da stampo per la costruzione di un nuovo filamento appaiato al primo.

2.

Sintesi delle proteine

La biologia molecolare ha permesso di chiarire come avviene la sintesi delle proteine, che è un processo molto complesso e richiede due fasi fondamentali. La prima di queste fasi prende il nome di trascrizione e consiste nella copiatura di un gene (una porzione di DNA), contenente le istruzioni necessarie alla costruzione della specifica proteina, su un'altra molecola di acido nucleico a singolo filamento, detta RNA messaggero (mRNA). Come nella duplicazione del DNA, anche il gene viene copiato fedelmente mediante l'appaiamento delle basi dell'RNA sullo stampo fornito dalla porzione di DNA. La seconda fase, chiamata traduzione, prevede l'utilizzazione delle informazioni contenute nella molecola di mRNA per la sintesi di una proteina, che avviene a livello dei ribosomi. Il cosiddetto 'dogma centrale della biologia molecolare' stabilisce che il flusso delle informazioni passa dal DNA all'RNA e dall'RNA alle proteine.

3.

Codice genetico

Gli studi di biologia molecolare hanno permesso di stabilire l'esistenza di un codice genetico, ovvero di una serie di combinazioni di tre basi azotate (triplette) ciascuna corrispondente a un particolare amminoacido. Ad esempio, le triplette ACC e CCC sull'mRNA corrispondono rispettivamente agli amminoacidi treonina e prolina. L'informazione genetica contenuta nella sequenza lineare di triplette del DNA dirige, dunque, la sintesi di una sequenza lineare di amminoacidi in una proteina. Le eventuali mutazioni della sequenza di basi di un gene vengono riportate anche nella struttura delle proteine. Ad esempio, una mutazione da A a C nella tripletta ACC porta all'aggiunta nella proteina nascente di prolina al posto di treonina. Poiché proteine specifiche hanno effetti biologici specifici, le alterazioni di sequenza amminoacidica che vanno a interferire con la funzione della proteina possono riflettersi in modificazioni strutturali o funzionali a livello cellulare o dell'organismo. Quando le mutazioni avvengono nel DNA delle cellule germinali, esse vengono anche trasmesse alle generazioni successive. Una certa variabilità tra individui a livello genetico è, comunque, fisiologica ed è responsabile di differenze innocue tra individui, come il colore degli occhi, della pelle o dei capelli. Quando, invece, a causa di una mutazione genetica viene prodotta una proteina difettosa, l'individuo può essere affetto da una malattia genetica come l'emofilia che può essere trasmessa alla prole.

4.

Clonazione

Negli anni Settanta la biologia molecolare conobbe un periodo di grande sviluppo, durante il quale, grazie alle basi teoriche elaborate negli anni precedenti, sono state messe a punto le tecniche di clonazione. Queste permettono di riprodurre in larga scala piccoli frammenti di DNA, isolati dal patrimonio genetico di un organismo e introdotti nel DNA di un microrganismo (ad esempio, all'interno di un batterio). Disponendo di una certa quantità di frammento, è quindi possibile analizzarne la sequenza e determinare se essa corrisponde a quella di un particolare gene che codifica per una determinata proteina.

5.

Sequenziamento del DNA

Grazie a una procedura sperimentale messa a punto da Frederick Sanger nel 1977, è oggi possibile leggere la sequenza lineare delle basi di un frammento di DNA. Il metodo viene oggi utilizzato anche da tutti i laboratori coinvolti nel Progetto Genoma Umano, che si pongono l'obiettivo di identificare tutti i geni presenti nel patrimonio genetico della nostra specie. Conoscendo la sequenza di basi del DNA, si può identificare ciascun gene come sequenza lineare di basi, che a sua volta indica, in base al codice genetico, la sequenza di amminoacidi della proteina corrispondente. In generale, è molto più facile ordinare le sequenze di basi del DNA che non quelle degli amminoacidi delle proteine; per questo motivo, di solito la sequenza amminoacidica di una proteina viene identificata indirettamente, a partire dalla sequenza del gene corrispondente. Quando si identifica la sequenza di un gene, che in alcuni individui è presente in una forma mutata e responsabile di una specifica malattia, dal confronto tra le sequenze del gene normale e del gene mutato è possibile individuare qual è la tripletta alterata.

6.

Differenze tra procarioti ed eucarioti

Gli organismi viventi si dividono in procarioti (ad esempio batteri) ed eucarioti (ad esempio animali e piante). La maggiore differenza tra le cellule di questi due gruppi di organismi sta nel fatto che i procarioti presentano il materiale genetico libero nel citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova segregato all'interno di un nucleo circondato da membrana. Questa differenza strutturale comporta anche piccole variazioni nei processi di trascrizione e traduzione descritti. Negli eucarioti, infatti, la trascrizione del DNA in mRNA avviene nel nucleo; poi le molecole di mRNA vengono traslocate nel citoplasma, dove ha luogo la sintesi delle proteine. Negli eucarioti, inoltre, i geni sono costituiti da una serie di frammenti che codificano per porzioni di proteina, detti esoni, interrotti da regioni a funzione ignota, detti introni, fenomeno che fu descritto dal chimico statunitense Phillip A. Sharp e dal chimico britannico Richard J. Roberts. Durante la trascrizione, sia gli introni che gli esoni vengono copiati nella molecola di mRNA; successivamente, quando si trova ancora nel nucleo, l'mRNA viene sottoposto a un processo di 'taglia e cuci' (splicing), nel corso del quale gli introni vengono rimossi e gli esoni vengono uniti l'uno all'altro a formare una sequenza continua.

Sebbene il significato della presenza degli introni nei geni degli eucarioti non sia ancora del tutto chiaro, alcuni ricercatori ritengono che la loro esistenza permetta una serie di combinazioni di frammenti genici che andrebbe ad aumentare il numero delle possibili proteine prodotte dall'organismo. Secondo questa ipotesi, cioè, i geni degli eucarioti sarebbero costituiti da un numero relativamente basso di strutture modulari, gli esoni, in grado di combinarsi in modi diversi per dare luogo a una vastissima gamma di geni e, di conseguenza, a una grandissima varietà di strutture proteiche.

7.

Regolazione dell'espressione genica

L'espressione genica è il fenomeno per cui un gene viene trascritto e tradotto in una proteina funzionale. Benché tutte le cellule dell'organismo contengano al loro interno la sequenza completa di tutto il genoma, non tutti i geni sono espressi ugualmente in tutte le cellule, ma l'espressione varia a seconda delle diverse funzioni cellulari. Quindi, nel citoplasma di una cellula del tessuto muscolare si trovano le molecole di mRNA e le proteine necessarie alla contrazione dei muscoli, ma non le molecole di mRNA e le proteine specifiche delle funzioni di una cellula del sangue. Nella maggior parte dei casi, queste differenze di espressione genica sono determinate da meccanismi di regolazione, che avvengono durante la trascrizione e che sono diretti da apposite proteine regolatrici, detti fattori di trascrizione, generalmente specifici di ciascun tessuto. In casi più rari, le differenze di espressione possono essere dovute anche a meccanismi di regolazione operanti a livello della traduzione.

8.

Struttura delle proteine

Da quanto detto sopra, si può dedurre che l'attività funzionale di una proteina debba essere correlata alla sua sequenza lineare di amminoacidi. Quest'ultima non è, tuttavia, sufficiente a conferire attività a una molecola proteica, se la proteina non è anche ripiegata in modo tale da assumere una struttura tridimensionale. Questa struttura è specifica di ogni proteina e dipende dalle forze di attrazione e dai legami che si instaurano tra gli amminoacidi. Negli anni Sessanta il biochimico statunitense John C. Kendrew riuscì per primo, con la tecnica della cristallografia a raggi X, a determinare la struttura tridimensionale di una proteina purificata, la mioglobina; successivamente Max Perutz determinò con le stesse tecniche la struttura simile, ma più complessa, dell'emoglobina.

9.

Reazione a catena della polimerasi (PCR)

Un importante passo in avanti della biologia molecolare fu la messa a punto di una tecnica nota come reazione a catena della polimerasi (detta anche PCR, acronimo dell'inglese Polymerase Chain Reaction). Fu ideata da Kary B. Mullis nel 1983 e permette la riproduzione in numerosissime copie di un frammento di DNA, in tempi più rapidi e in modo più semplice di quanto si riesce a fare con la clonazione, cioè innestando tale frammento in un batterio e attendendo che questo si sia riprodotto molte volte. La necessità di avere una grande quantità di copie di una molecola di DNA è dovuta al fatto che, per gli studi di biologia molecolare, le strumentazioni attuali non riescono a identificare e a utilizzare soltanto poche molecole dell'acido nucleico. La tecnica si basa sulla proprietà di un enzima, la polimerasi, di legare in sequenza diversi nucleotidi in modo da creare un filamento di DNA, usando come stampo un altro singolo filamento dello stesso acido nucleico.

3.

Prospettive future

La tecnica di più recente introduzione in biologia molecolare è quella della terapia genica, che consente di introdurre un gene in una o più cellule somatiche di un organismo affetto da una particolare patologia, per riuscire a guarirlo o comunque a migliorarne le condizioni di salute. Mediante questa tecnica vi è la speranza di riuscire a guarire malattie come la malattia di Alzheimer e il morbo di Parkinson.