Evoluzione delle scoperte sul DNA come materiale genetico

Le prime scoperte sul materiale genetico

Le prime indicazioni esistenti sulla natura del materiale genetico risalgono alla fine degli anni venti. In quegli anni, grazie agli studi di Morgan, era risaputo che i geni erano localizzati nei cromosomi, e che questi ultimi erano costituiti soprattutto da due tipi di molecole: le proteine e gli acidi nucleici. Uno di questi due componenti , quindi , doveva essere il materiale genetico.

Esperimenti di Griffith

Nel 1928 il medico londinese Frederick Griffith, che studiava la virulenza di alcuni ceppi di batterio Streptococcus pneumoniae( che causano la polmonite nei topi) fece un osservazione di fondamentale importanza per l’identificazione del materiale genetico. Egli trovò che esistono vari tipi ( o serotipi) di streptococco , i quali si distinguono per la presenza o l’assenza di un rivestimento polisaccaride che avvolge tutta la cellula.

I batteri che presentano la capsula sono virulenti e crescono in colonie che osservate la microscopio , hanno un aspetto liscio ( chiamate S Dall’inglese smooth=liscio); i batteri in cui la capsula era assente non erano virulenti e crescevano in colonie di aspetto ruvido (chiamate R, sempre dall’inglese rought=ruvido).

Griffith compì una serie di esperimenti

1. Innietò in un primo gruppo di topi i batteri virulenti S

2. Inniettò ad un secondo gruppo di topi i batteri non virulenti R

3. Inniettò ad un secondo gruppo di topi i batteri virulenti S uccisi dal calore

4. Inniettò ad un quarto gruppo di topi una miscela fatta di pneumococchi non virulenti (R) vivi e di pneumococchi virulenti(S) uccisi con il calore.

I gruppi di topi infettati con batteri non virulenti , non morirono; ma contrariamente a ciò che ci si poteva aspettare , oltre ai topi del primo gruppo , infettati con batteri virulenti . Non solo : dal sangue dei topi di quest’ultimo gruppo, si potevano isolare batteri virulenti del tipo S.

Scoperta del principio trasformante

Griffith interpretò questi risultati ipotizzando che ci dovesse essere stato un trasferimento di materiale biologico dai batteri virulenti morti a quelli non virulenti vivi , tale da rendere questi ultimi virulenti in modo duraturo, permanente, cioè ereditario. Questo processo venne chiamato trasformazione, e la sostanza che passava dai batteri S uccisi al calore a quelli R fu definita principio trasformante.

Perché il DNA è confermato come materiale genetico?

Sedici anni più tardi (1943-1944) lo scienziato statunitense Oswald Avery dimostrò assieme ai suoi collaboratori Colin Macleod e Meclyn McCarthy, che il principio trasformante era costituito da acido deossiribonucleico: il DNA.

Essi compirono infatti un esperimento che dava un risultato inequivocabile : dopo aver ucciso al calore una coltura di cellule di batteri S, ne preparavano un filtrato che suddivisero in varie provette . Ciascuna provetta fu trattata con un enzima diverso, in grado, volta a volta, di degradare i singoli componenti cellulari.

Iniettando in diversi gruppi di topi il preparato di ogni provetta mescolato ai batteri R, essi misero in evidenza che il preparato trattato con proteasi ( L’enzima che agisce sulle proteine) e quello trattato con ribonucleasi ( che degrada l’RNA) non perdevano la loro capacità di trasformare le cellule batteriche R.

Nonostante la natura chimica del principio trasformante fosse stata uniformemente evidenziata da una serie di analisi chimiche , l’importanza di questa scoperta non venne percepita dai ricercatori del tempo e i risultati non vennero accettati : si riteneva infatti che le proteine fossero le uniche molecole con una struttura adeguata a racchiudere l’informazione genetica.

Esperimenti di Hershey e Chase

L’idea che i geni fossero composti da DNA venne definitivamente accettata solo nel 1952, solo dopo una serie di esperimenti condotti dagli statunitensi Alfred Hershey e Martha Chase sui virus che parassitano i batteri ( i cosiddetti batteriofagi o semplicemente chiamati fagi) queste particelle hanno la capacità di infettare le cellule batteriche, riproducendosi al loro interno fino ad ucciderle . Hanno così origine nuove particelle fagiche, in grandissimo numero.

Hershey e Chase ipotizzarono che durante l’infezione della cellula, i geni posseduti dal fago fossero in grado di indirizzare l’apparato cellulare del batterio a costruire nuove particelle virali. Per la loro ipotesi utilizzarono il metodo della “marcatura selettiva”, con isotopi radioattivi specifici delle proteine e del DNA del fago poiché le proteine contengono lo zolfo e non fosforo presente invece nel DNA , essi prepararono due sospensioni di fagi radioattivi:

1. Sospensione di batteriofagi con proteine marcate.

2. Sospensione di batteriofagi con DNA marcato.

Infettando con queste sospensioni due colture di batteri dello stesso tipo, e interrompendo l’infezione pochi minuti dopo l’aggiunta dei virus , fu possibile vedere se la radioattività fosse penetrata all’interno delle cellule batteriche o se fosse rimasta all’esterno.

Quando i batteri erano stati infettati con il virus marcato nelle proteine , la radioattività restava concentrata al di fuori delle cellule batteriche infettati da virus marcati nel DNA , quasi tutta la radioattività veniva localizzata all’interno delle cellule batteriche e si trasmetteva alla progenie.

Era stato dimostrato così, senza ombra di dubbio, che il materiale genetico era costituito proprio da DNA.