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La tecnologia del DNA ricombinante - Che cosa non è il DNA

La struttura del modello a doppia elica del DNA
La struttura del modello a doppia elica del DNA Crediti: Wikipedia

Durante una lezione sull'estrazione del DNA dalle cellule, di fronte a una platea di futuri medici, uno degli studenti mi rivolse la fatidica domanda che prima o poi (e con le variazioni del caso) ogni docente dovrà affrontare, indipendentemente dalla materia che insegna. La domanda era la seguente: "Ma, se io sono un medico, a che cosa mi serve sapere come estrarre il DNA dalle cellule, dal momento che non dovrò mai farlo?". Anche se dovuta a un momento di frustrazione dello studente, la domanda era più che legittima.

Perché dunque un medico dovrebbe conoscere i principi alla base di un'estrazione di DNA e saperla mettere in pratica, pur non essendo un qualcosa di essenziale per la sua carriera?
Ci sono varie ragioni, una delle quali la metterò in evidenza più avanti, ora mi focalizzerò su quello che ritengo l'aspetto fondamentale e che generalmente viene sottovalutato: qualsiasi cosa sia relazionata con le tecniche di manipolazione genetica spaventa le persone che non conoscono bene l'argomento. Un medico che ha lavorato con queste tecniche è un medico competente sull'argomento e che è a conoscenza dell'assoluta sicurezza di queste pratiche di laboratorio e i medici sono il primo contatto tra il mondo della ricerca e le persone che raccolgono i frutti di tali ricerche, possono dunque tranquillizzare le persone, fare divulgazione, spiegare come stanno realmente le cose.

Naturalmente, anche se i medici sono in prima linea, questo lavoro non dovrebbe ricadere interamente sulle loro spalle, biologi, biochimici, biotecnologi, dovremmo tutti collaborare in qualche maniera alla divulgazione scientifica, in modo che chiunque possa farsi un'idea di quello che accade realmente dentro un laboratorio e non lo veda come un mondo a parte. Intervenire come divulgatori solo per confutare le varie bufale scientifiche che circolano non è sufficiente, è necessario impegnarsi anche nella divulgazione della scienza di base, in modo da rendere accessibili al grande pubblico le conoscenze basiche necessarie per comprendere argomenti che spesso vengono fraintesi.
Per fare un esempio di possibile fraintendimento, poco sopra parlavo di Sicurezza. Una persona che non ha idea di che cosa sia una proteina ricombinante, ottenuta attraverso tecniche di mutagenesi, prodotta da un organismo transgenico e che sente parlare di Sicurezza, nella migliore delle ipotesi si immagina la sicurezza che può avere il reattore di una centrale nucleare. Le cose però non stanno così, quando uso il termine Sicurezza mi riferisco a cose che non costituiscono in sé alcun pericolo, neppure se c'è scarsa manutenzione del laboratorio e i tecnici sono ubriachi (in quel caso, al massimo, il pericolo è per gli addetti ai lavori).

Ed è proprio per spiegare questo ed altri concetti che, con questo articolo sul DNA, inizio una sorta di "Progetto editoriale" a lungo termine in cui cercherò di rendere accessibile la Tecnologia del DNA ricombinante (scopriremo alla fine dell'articolo di che si tratta) ad un pubblico di non addetti ai lavori, per mostrare loro l'assoluta banalità che sta dietro a termini spaventosi come "Mutagenesi", "Manipolazioni genetiche", "DNA ricombinante", ecc...

Il titolo di questo articolo nasce dall'esperienza pratica: mi sono reso conto che gli studenti di medicina e biologia, nonostante uno studio teorico approfondito, restino comunque sempre affascinati durante un'esercitazione pratica in cui si estrae il DNA dalle cellule. Questa loro "sorpresa" di fronte al DNA visibile a occhio nudo mi lascia sempre perplesso.
Alcuni di loro sono sportivi a livello agonistico, altri frequentano costantemente le palestre, insomma avranno visto centinaia di volte dei concentrati di proteine o amminoacidi, senza contare che le loro case sono piene di glucidi semplici (zucchero) o complessi (farina, fecola di patate, ecc...) e lipidi quasi puri (olio d'oliva, di semi, burro, strutto) eppure, nonostante ciò, restano affascinati di fronte a quella che è la quarta classe di molecole che si studia all'inizio del corso di biochimica: gli acidi nucleici.

Come se fosse un qualcosa di mistico e speciale.

Lo scopo di quanto segue è quello di dare una visione un po' più "concreta" (terra-terra), di cosa sia o non sia il DNA e fornire un'introduzione in grado di permettervi in seguito di continuare a leggere altri articoli, che avranno come fine quello di spiegare a cosa servono, come si fanno e su quali principi si basano varie tecniche di biochimica e biologia molecolare. 

E allora, cosa non è il DNA?
Non è uno spirito vitale; non è qualcosa di magico; non è divino; non è la vita; non è vivo; non è cosciente; non è alcunché di speciale.
Il DNA è una molecola come tante altre, né più né meno...
Per l'esattezza è una etero-poli-macromolecola, ma non è di certo l'unica e neppure la più importante (anche perché non c'è alcuna graduazione di importanza tra le molecole che compongono le cellule, o ci son tutte o addio cellula). Non lasciatevi spaventare dagli etero - poli - macro che abbondano sempre nelle discussioni scientifiche... avrei potuto metterci anche un "nano" da qualche parte, visto che l'ordine di grandezza è più o meno quello (a seconda di come la si guarda), e non lo avrebbe reso né più né meno speciale.

Vediamo di spiegare un po' questi termini...

- Perché "poli"?
Il suffisso "poli" lo si usa per indicare polimeri, ovvero molecole formate dalla ripetizione di diverse unità fondamentali. Immaginate una collana di perle, la collana è un "polimero" e le sue unità fondamentali sono le perle.
Così il DNA è formato dalla ripetizione continua di diverse unità fondamentali chiamate "nucleotidi" (è solo il loro nome).

- Perché "etero"?
Beh, perché questi nucleotidi sono diversi tra loro. Nel DNA ce ne sono di 4 tipi.
Se fosse stato formato dalla ripetizione di un solo nucleotide sarebbe stata una omo-poli-macromolecola.

- Perché "macro"?
Perché è grande.
I nucleotidi stessi possono essere considerati delle etero-macro molecole, figuriamoci il DNA.

- Ma se è "macro", perché hai detto che si potrebbe usare anche il suffisso "nano"?
Ho detto che dipende da come lo si guarda.
Lo spessore del DNA è di circa 2 nanometri, dunque rientriamo nell'ordine di grandezza "nano". Certo se poi guardiamo la lunghezza, è tutto un altro paio di maniche... il filamento di DNA umano più lungo è quello presente (e che costituisce) il cromosoma numero 1. Sono circa 250 milioni di nucleotidi ripetuti in continuazione. Ora, come potete vedere dall'immagine di apertura, nella struttura elicoidale del DNA una sequenza di 10 nucleotidi è lunga più o meno 3,4 nanometri, ciò significa che la sequenza di DNA presente nel cromosoma 1 è lunga circa 85 milioni di nanometri, circa 8,5 cm. Mica male eh?
Solo che nel cromosoma è molto impacchettato, così impacchettato che il cromosoma 1 (metafasico) è nell'ordine dei 15-20 micrometri come dimensioni.

Per avere un'idea delle grandezze biologiche visitate questa pagina:  http://learn.genetics.utah.edu/content/cells/scale/ e divertitevi a giocare con la barra sotto l'immagine (fatelo, credetemi, vi aiuterà a cambiare prospettiva).

- Perché anche i nucleotidi possono essere considerati etero-macro molecole?
Perché sono composti da differenti molecole diverse tra loro, va da sé che hanno una dimensione un po' più grande rispetto ad altre molecole. Ma ovviamente, tutto è relativo...
Nello specifico, ognuno di loro è formato da una base azotata (che definisce anche che tipo di nucleotide sia) uno zucchero e una molecola di acido ortofosforico.

- Un acido in una molecola?
Beh, gli acidi possono essere sali o molecole come tutti gli altri, non immaginatevi fluidi che corrodono pareti in basi spaziali... Il DNA stesso è un acido.

Queste caratteristiche che vi ho elencato, sono le stesse per qualsiasi organismo.
Ciò significa che il DNA umano è assolutamente uguale al DNA di un pesce che a sua volta è uguale a quello di una pianta. Dal punto di vista biochimico è impossibile differenziarli.
Quello che cambia è la sequenza dei quattro nucleotidi (ricordate? è un etero-polimero), a seconda di come si dispongono e ripetono creano sequenze diverse dando origine anche a geni differenti (sul concetto di gene, scriverò un articolo a parte) ma se io avessi una sequenza di DNA, biochimicamente sarebbe per me impossibile sapere a quale specie appartenga. La cosa da fare, per riuscire a scoprire da quale organismo provenga, sarebbe prima sequenziarla (scoprire cioè la sequenza dei nucleotidi) e poi usare un computer per inserire questa sequenza in un database contenente le sequenze dei genomi di vari organismi (ovvero la sequenza di tutto il DNA di vari organismi).
Un po' come scoprire da quale libro proviene una frase: prima devo riuscire a leggere cosa dice quella frase e poi uso un motore di ricerca per scoprire da quale libro provenga, con la differenza che leggere una frase è semplice, mentre per "leggere" un frammento di DNA servono tecnologie abbastanza sofisticate.

Oggi è abbastanza economico, facile e veloce da fare, 15 anni fa per nulla.

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Costi nel sequenziare una "megabase" di DNA per anno.
Crediti: National Human Genome Research Institute: https://www.genome.gov/sequencingcostsdata/

Come potete notare agli inizi degli anni 2000 sequenziare una megabase (una sequenza di DNA contenente un milione di basi, ovvero un milione di nucleotidi, il genoma umano ne contiene circa 3 miliardi) costava attorno ai 10mila dollari, nel 2014 solo pochi centesimi, oggi ancora meno...
Senza contare che se anche avessimo avuto i soldi, una volta sequenziato il nostro DNA di origine sconosciuta, non avremmo saputo che farcene, perché all'epoca erano davvero pochissime le specie di cui si possedeva il genoma sequenziato.
E se anche avessimo avuto la fortuna di avere un database, sarebbe occorso un bel po' di tempo prima di trovare un "accoppiamento" perché i pc non erano molto veloci e la connessione internet ancora meno. Negli ultimi 15 anni la ricerca scientifica è stata rivoluzionata.

Ma non divaghiamo troppo, quanto scritto sopra serve a far comprendere come il DNA non sia nient'altro che DNA, qualsiasi sia l'organismo da cui proviene, quindi non spaventatevi se sentite parlare di "geni di un pesce inseriti in una pianta" o "geni umani inseriti in un batterio" un gene non è altro che una sequenza di DNA, che sia uguale ad una sequenza presente nei pesci, nelle piante o nell'uomo è la stessa cosa, non si generano chimere mostruose o strani ibridi.
Come vedremo nel prossimo articolo, anche un Gene non è alcunché di speciale. E' solo un pezzo di DNA che (in questo caso) codifica per una proteina. Ovvero è lo stampo sulla base del quale viene prodotta una proteina. Nulla di magico o spirituale.
Molte persone confondo questo concetto di Gene con il concetto dei Caratteri ereditabili (come il colore degli occhi, la forma del naso, ecc... che possono dipendere anche da più di un gene) che a sua volta viene confuso con l'organo o la struttura biologica che caratterizzano. Non esiste il gene del Naso, il naso è una struttura biologica che si forma durante lo sviluppo embrionale e lo sviluppo embrionale dipende dall'attivazione/disattivazione di una miriade di geni che si incrociano tra loro in tempi e luoghi (dell'embrione/feto) diversi.

- Ma perché inserire geni umani in batteri, lieviti o altre cellule?
Beh, sicuramente non per creare un lievito umanizzato...
Lieviti e batteri sono organismi che si riproducono rapidamente, che costano poco da mantenere e che sono facili da manipolare, una volta inserito un gene al loro interno, che sia umano, di pianta o di cane, essi non se ne accorgono minimamente (ricordate? il DNA è DNA per tutti gli organismi) e lo trattano come se fosse loro. Dunque lo leggono, seguono le istruzioni lette e creano la corrispondente proteina. Ovviamente senza coscienza, è un meccanismo biochimico automatico, come un orologio.
Questa proteina non "trasforma" questi organismi, semplicemente viene prodotta.
Ed è questo il punto!
Produrre in laboratorio per sintesi chimica una proteina è difficilissimo e caro, se non impossibile in alcuni casi, se lo facciamo fare a dei microrganismi è rapido, facile ed economico (relativamente parlando...).
Così come alleviamo le mucche per il latte, alleviamo batteri e lieviti per produrre proteine di interesse scientifico e medico. L'insulina ricombinante che si iniettano i diabetici è ottenuta in questo modo.

È questo che si intende con Tecnologia del DNA ricombinante: un insieme di tecniche che ci permettono di produrre in laboratorio una proteina specifica in grande quantità partendo dalla sua sequenza di DNA.
Con i prossimi articoli cercherò di spiegarvi nel dettaglio queste tecniche in maniera semplice e (spero) comprensibile, in modo che anche voi, come i miei ex-studenti di medicina, possiate "toccare con mano" quello che è il reale lavoro di laboratorio e vi rendiate conto che quello che sembra misterioso o contro natura non lo è affatto (molte cose non le abbiamo inventate noi, le abbiamo copiate dalla natura, come le piante transgeniche e gli antibiotici).
Scoprirete inoltre che nei film, quando si parla di biologia, generalmente si sparano solo delle grandi fesserie... spesso anche nei TG e sui giornali.

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Alessandro Torri

La mia passione per la scienza è nata da bambino guardando la trasmissione Quark e da allora non mi ha mai abbandonato, nonostante una laurea in Biologia Molecolare e un dottorato in Scienza Chimiche continuo a essere affascinato dal metodo scientifico e da quello che ci permette di scoprire. Altri miei interessi, oltre a quello di far battute sul mondo della ricerca e quello accademico, sono i giochi da tavolo di strategia, la letteratura e il cinema. 
Con i miei articoli spero di poter permettere alle persone di conoscere meglio come funzionino la ricerca scientifica e il lavoro di laboratorio, smitizzando un po' certi luoghi comuni nati dalla scarsa qualità dell'informazione e senza annoiarle troppo.


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3 commenti

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Mercoledì, 29 Marzo 2017 14:38 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    Grazie per la risposta esauriente!

  • Link al commento Alessandro Torri Mercoledì, 29 Marzo 2017 14:19 inviato da Alessandro Torri

    Ciao Marco, grazie per i complimenti e per la domanda.

    La lunghezza in micrometri dei cromosomi è un tema complesso, perché dipende dal grado di "impacchettamento" in cui si trova il DNA. Diciamo che nella forma "più impacchettata" (durante la divisione cellulare) se mettessimo tutti e 46 (23 x 2 nelle cellule somatiche) i cromosomi di una cellula in fila, avrebbero una lunghezza approssimativa di 200 micrometri.

    Come fa dunque a entrare tutto in un nucleo che ha un diametro approssimativo di 10 micrometri?
    È una questione di "Volume", dobbiamo pensare ai cromosomi e ai nuclei come strutture tridimensionali. Il volume occupato da tutti i cromosomi è inferiore al volume che può contenere il nucleo. Ovviamente parliamo di densità elevate...

    Riguardo agli esempi pratici che hai fatto, i globuli rossi umani sono cellule anucleate, perché hanno perso il nucleo durante il loro sviluppo, dunque il problema non si pone, mentre per quanto riguarda gli spermatozoi, sono cellule germinali, dunque contengono solo la metà del DNA rispetto alle altre cellule del corpo.

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Domenica, 26 Marzo 2017 06:08 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    Articolo affascinante, Alessandro!
    Una curiosità da profano: se è vero che i cromosomi hanno una lunghezza dell'ordine di 10-20 micron, come fanno a starcene 23 dentro il nucleo di una cellula che ha dimensioni analoghe o addirittura più piccole (dall'applet che hai linkato, un globulo rosso misura 8 micron e la testa di uno spermatozoo solo 5 micron)?

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