La Rivoluzione della Biologia Molecolare

La nascita della biologia molecolare nella seconda metà del Novecento è stato l’evento più rilevante nell’ambito delle scienze della vita, cambiandone radicalmente lo status alla fine del secolo.
lamm_biologia_molecolareIl termine biologia molecolare fu coniato nel 1938 da Warren Weaver, direttore della fondazione Rockefeller, che iniziò a pensare ad uno sviluppo della biologia a livello molecolare, sulla base degli avanzamenti significativi di discipline quali la cristallografia a raggi X che permetteva uno studio della struttura delle molecole. La biologia molecolare è una branca della biologia che studia i meccanismi molecolari alla base della vita; in particolare studia le interazioni tra le macromolecole di cui sono costituiti gli esseri viventi: proteine e acidi nucleici (DNA- acido deosossiribonucleico e RNA- acido ribonucleico), i meccanismi che ne regolano il funzionamento, ne causano le disfunzioni e le interazioni che avvengono entro e tra le cellule che le contengono. Rispetto all’approccio descrittivo e tassonomico, proprio della biologia sino alla prima metà del secolo scorso, la biologia molecolare ha un’impostazione prevalentemente chimico-fisica e matematico-quantitativa.
La nascita della biologia molecolare è stata possibile grazie a molte scoperte del secolo scorso: in primis la definizione del ruolo del gene come elemento centrale della cellula e come mezzo di trasmissione dei caratteri ereditari e dell’evoluzione naturale, e successivamente la sua localizzazione nella doppia elica del DNA che a sua volta ha permesso la descrizione della struttura e del meccanismo di replicazione e della decodificazione in RNA e proteine dei geni.
Questa disciplina si avvale di competenze di numerose aree scientifiche: l’informatica per l’elaborazione dell’enorme mole di dati, la fisica nello studio delle biomolecole a livello di struttura tridimensionale (biologia strutturale), la chimica e la biochimica essendo le molecole oggetto di studio della biologia molecolare anche sostanze chimiche, la genetica perché lo studio dei processi molecolari necessita lo studio del loro controllo a livello genico.
Alcune scoperte negli anni trenta, quaranta e cinquanta hanno fornito le basi su cui la disciplina sarebbe poi nata: nel 1935 si associò per la prima volta l’ereditarietà ai cromosomi, nel 1943 si capì il meccanismo di trasferimento di tratti somatici tra ceppi batterici (esperimento di Avery a sua volta basato sul risultato del famoso esperimento di Griffith) e infine nel 1953 quando con l’esperimento di Hershey-Chase si dimostrò che il DNA è il materiale genetico. La vera nascita della biologia molecolare si può però far risalire alla scoperta da parte di James Watson e Francis Crick nel 1953 della struttura del DNA: polimero costituito da monomeri chiamati nucleotidi (deossiribonucleotidi) che contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine e all’esperimento di Meselson-Stahl nel 1958 che dimostrò il meccanismo di replicazione semiconservativo del DNA; ogni volta che una cellula si divide, infatti, l’intero patrimonio genetico (genoma) deve essere duplicato per poter essere trasmesso alla progenie (tramite mitosi o meiosi).
Il meccanismo della replicazione è complesso e richiede l’intervento di numerosi enzimi e di proteine iniziatrici, in questo processo il doppio filamento di DNA parentale funge da stampo per la sintesi di due filamenti figli complementari.
Sin dai primi anni 1960, i biologi molecolari hanno scoperto come caratterizzare, isolare e manipolare le componenti molecolari delle cellule e degli organismi: il DNA, il depositario dell’informazione genetica, l’RNA, che funge da copia temporanea operativa di DNA e può svolgere funzione strutturale e catalitica nell’apparato deputato alla traduzione, le proteine, che ricoprono ruoli strutturali ed enzimatici nelle cellule.
La vera rivoluzione si ebbe con la messa a punto della reazione a catena della polimerasi o PCR ad opera del biochimico americano Kary Mullis nel 1983 per la quale ottenne poi il Premio Nobel per la Chimica nel 1993 . La reazione a catena della polimerasi o PCR è una tecnica estremamente versatile per copiare il DNA. In breve, la PCR consente, attraverso una reazione enzimatica condotta mediante polimerasi termostabile, di copiare milioni di volte un frammento di DNA. Particolari usi di questa metodica consentono anche l’alterazione in un modo predeterminato di una sequenza di DNA.
La velocità e la specificità della PCR, e la possibilità di ottenere copie teoricamente infinite di un particolare gene o regione di DNA, hanno trovato immediati riscontri in molti settori delle biotecnologie: dalla diagnostica di laboratorio alla microbiologia, all’oncologia, allo studio delle malattie ereditarie, alla medicina legale, alla paleontologia. In biologia la PCR ha permesso di chiarire la funzione di molti geni, di eseguire mappe genetiche accurate ed è stata ed è tuttora di fondamentale importanza per la realizzazione del Progetto genoma umano. La PCR viene usata anche nell’ambito della paleontologia e dell’antropologia molecolare. Nello studio dei processi evolutivi, si è rivelata indispensabile per l’analisi della filogenesi molecolare (la classificazione degli organismi in funzione della relazione esistente tra proteine o tra acidi nucleici), e per la ricostruzione degli alberi genealogici ‘universali’, basati sulla caratterizzazione dei genomi delle varie specie.
Sono virtualmente analizzabili mediante PCR tutte le malattie genetiche ereditarie di cui sia stato identificato il locus genetico implicato, quali, per es., le varie forme di talassemia, di emofilia, la distrofia muscolare di Duchenne e altre. Data la sensibilità di questa tecnologia è possibile distinguere fra alleli che differiscano anche per un solo nucleotide. Grazie ai test genetici i potenziali genitori possono essere identificati come portatori sani di malattie ereditarie, o i figli per verificare se sono realmente affetti dalla patologia in questione.
La possibilità di rilevare il DNA anche con quantità limitate di materiale cellulare ha conferito un ruolo di particolare rilievo a questa tecnologia nella diagnostica prenatale: in questo caso sono sottoposte a PCR cellule fetali ottenute da amniocentesi o da campioni di villi coriali. La PCR può essere anche applicata nel campo della fecondazione in vitro, per capire se gli embrioni umani allo stadio di 6÷8 cellule (blastomeri) siano portatori di anomalie, prima di procedere all’impianto degli embrioni nell’utero materno. La PCR viene impiegata anche nella tipizzazione dei tessuti, per l’analisi degli antigeni di istocompatibilità, indispensabile nei trapianti d’organo, e per l’identificazione di tipi cellulari specifici appartenenti a uno stesso organismo.
Uno dei campi di applicazione più importanti della PCR, dal punto di vista sia clinico-epidemiologico che di ricerca, è la microbiologia: la tecnica può essere infatti usata per l’identificazione, in un campione di materiale infetto, di un qualsiasi patogeno (virus, batterio) di cui sia conosciuta anche solo una limitata porzione della sequenza genomica. Ad es., il virus HIV, grazie alla PCR può essere individuato in fase di diagnosi, quando ancora il numero di copie è ancora molto basso, prima che la malattia venga conclamata.