Innovazioni biotecnologiche: dalla conservazione culturale alla genetica evolutiva

Contributo delle biotecnologie alla conservazione

Negli ultimi decenni la ricerca nel campo della Biologia e delle Biotecnologie ha grandemente contribuito allo sviluppo di interventi integrati per la conservazione del patrimonio culturale, paesaggistico e archeologico. Le biotecnologie contribuiscono sia allo studio e datazione di reperti, sia più in generale al monitoraggio dei beni archeologici a fini diagnostici, conservativi e di restauro, attraverso l’analisi dei fenomeni di degrado dovuti ad agenti esterni.

Analisi genetica di Tutankhamon

Nel 2009 è stata analizzata la mummia del faraone morto a soli 19 anni. Dato che l'imbalsamazione permette di conservare una parte di tessuti organici, da essi è stato estratto il suo DNA che è stato poi confrontato con 15 di altre mummie per stabilire le parentele e costruire un albero genealogico di generazioni.

Scoperte sulla salute di Tutankhamon

Tutankhamon era affetto da equinismo del piede sinistro, a un dito del piede mancava un osso e le ossa di una parte del piede erano andate distrutte per necrosi. Tanto il piede equino quanto la malattia ossea gli impedirono senz’altro di camminare agevolmente.

A giudicare dalla presenza di DNA proveniente da vari ceppi di un parassita denominato Plasmodium falciparum è risultato evidente che Tutankhamon era affetto da malaria, anzi, che aveva contratto più volte la forma più grave di questa malattia.

Incesto e conseguenze genetiche

Scienziati inglesi hanno scoperto che Tutankhamon era figlio di un incesto, pratica non considerata negativamente nel 1300 a.C., tra Akhenaton e sua sorella (anche se quest'ultimo aveva delle mogli).

Proprio la parentela del giovane ha determinato la sua morte, indotta da una salute cagionevole. Infatti, nei casi di incrocio tra consanguinei è più probabile la manifestazione di patologie recessive presenti nella famiglia.

Innovazioni nel restauro delle opere d'arte

L’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA) ha brevettato un nuovo metodo, sicuro e biocompatibile, per restaurare le opere d’arte deteriorate.

L’innovativo procedimento biotecnologico si basa sull’utilizzo di ceppi di batteri specificamente selezionati dall’ENEA, in grado di “ripulire” i dipinti dai depositi organici e inorganici accumulati sulle opere nel corso del tempo.

Il procedimento si è dimostrato efficace in casi in cui le tecniche tradizionali hanno incontrato difficoltà. Per esempio nel restauro dei dipinti narranti la leggenda di Ercole e Caco, conservati nelle logge di Casina Farnese, sul colle Palatino, a Roma. Dopo una prima fase di ricerca in laboratorio, la tecnica è stata applicata direttamente nel sito archeologico di Casina Farnese, grazie a un intervento sviluppato in collaborazione con la Soprintendenza speciale per i beni archeologici di Roma e con i restauratori del cantiere.

A differenza delle tecniche di restauro tradizionali, il metodo brevettato dall’ENEA – oltre a essere efficace nel trattamento dei dipinti più difficili da ripulire – ha il vantaggio di garantire l’integrità delle opere d’arte e di essere del tutto sicuro per la salute degli operatori.

Applicazioni delle analisi molecolari

Le applicazioni delle analisi molecolari si estendono anche alla ricostruzione della storia evolutiva delle specie, viventi o estinte.

La filogenesi o filogenetica o filogenia, (dal greco φυλή ["classe", "specie"] e ɣένεσις ["nascita", "creazione", "origine"]), è il processo di ramificazione delle linee di discendenza nell'evoluzione della vita.

Evoluzione e classificazione delle specie

Se due specie hanno in comune un gran numero di sequenze nucleotidiche, esse sono imparentate, cioè vicine dal punto di vista filogenetico.

È anche possibile ricostruire le divergenze evolutive attraverso le quali si è giunti all'origine di nuove specie.Per esempio, analizzando con precisione il DNA degli uccelli e quello dei rettili, si sono scoperte molte affinità che hanno portato, tra l'altro, a ipotizzare che gli uccelli si siano evoluti da un gruppo di dinosauri. I più moderni sistemi di classificazione, infatti, includono gli uccelli nella classe dei rettili, anzichè considerarli un gruppo sistematico a sè stante.

Contributi di Darwin e genetica

Nell'opera "L'Origine dell'Uomo e la Selezione Sessuale" del 1871, Charles Darwin confrontò una serie di caratteristiche anatomiche umane e delle scimmie antropomorfe e, sulla base delle somiglianze puramente morfologiche, giunse alla conclusione che lo scimpanzè fosse un "cugino" degli esseri umani. La genetica gli diede ragione, rivelando che il genoma umano e quello dello scimpanzè hanno una corrispondenza di oltre il 98%.

Una delle differenze rilevate riguarda un gene coinvolto nello sviluppo del linguaggio, un fattore che fu particolarmente importante per lo sviluppo di primitive forme di comunicazione. Oltre che in Homo sapiens, la forma mutata di questo gene è stata trovata anche nel genoma di Homo neanderthalensis. Molti paleoantropologi ritengono, infatti, che gli uomini di Neanderthal fossero in grado di comunicare tra loro con un linguaggio molto semplice.

Tecnica della PCR e sue applicazioni

La tecnica della PCR è impiegata negli studi di evoluzione molecolare per determinare e costruire alberi genealogici. Si ritiene che tanto più le specie divergono da un antenato comune, tanto più differiscono le loro sequenze nucleotidiche e, viceversa, un maggior grado di conservazione di sequenze nucleotidiche fra specie potrebbe indicare una minore distanza fra di esse dal punto di vista evolutivo. Inoltre, la PCR è applicata negli studi sull’evoluzione di popolazioni umane, in particolare mediante l’analisi dei siti ipervariabili del DNA mitocondriale.

Processo della PCR

La reazione a catena della polimerasi (in inglese: Polymerase Chain Reaction), comunemente nota con la sigla PCR, è una tecnica di biologia molecolare che consente la moltiplicazione (amplificazione) di frammenti di acidi nucleici dei quali si conoscono le sequenze nucleotidiche iniziali e terminali. L'amplificazione mediante PCR consente di ottenere in vitro molto rapidamente la quantità di materiale genetico necessaria per le successive applicazioni. Tale metodica fu ideata nel 1983[1] da Kary B. Mullis il quale ottenne, per questo, il Premio Nobel per la chimica (1993).[2]

La PCR ricostruisce in vitro uno specifico passaggio della duplicazione cellulare: la ricostituzione (sintesi) di un segmento di DNA "completo" (a doppia elica) a partire da un filamento a singola elica. Il filamento mancante viene ricostruito a partire da una serie di nucleotidi (i "mattoni" elementari che costituiscono gli acidi nucleici) che vengono disposti nella corretta sequenza, complementare a quella del DNA interessato. Schema delle fasi di una PCR:

1. Denaturazione

2. Annealing

3. Prolungamento

4. Termine del ciclo

Per avviare la reazione della polimerasi (fase di prolungamento del filamento a partire dal primer (= opportuni "inneschi" costituiti da brevi sequenze di DNA (oligonucleotidi) complementari alle estremità 5' e 3' dei due filamenti del segmento da riprodurre) 5' è prima necessario provvedere alla separazione dei filamenti del DNA (fase di denaturazione), quindi alla creazione del legame tra i primer e le regioni loro complementari dei filamenti di DNA denaturati (fase di annealing). Questo processo risulta però incompatibile con la DNA polimerasi umana, che viene distrutta alle temperature necessarie alla denaturazione (96-99 °C).

Per ovviare a questo inconveniente si fa ricorso alle polimerasi appartenenti a organismi termofili che non sono inattivate dalle alte temperature, ad esempio la Taq polimerasi proveniente dal batterio termofilo Thermus aquaticus. Ciò consente di realizzare più cicli di PCR in sequenza, in ciascuno dei quali viene duplicato anche il DNA sintetizzato nelle fasi precedenti, ottenendo una reazione a catena che consente una moltiplicazione estremamente rapida del materiale genetico di interesse.