Biologia molecolare

6112 Lezione 1 corrodi

Siamo l’esecuzione di un programma genetico scritto nello zigote, tutti deriviamo da un’unica cellula in cui sono scritte delle istruzioni.

L’esecuzione di queste informazioni dà risultati variabili: il programma determina la divisione della cellula in due, quattro, fino a diventare morula, poi blastocisti fino a diventare ciò che siamo ora.

Il nostro programma è lungo un metro e composto da 4 lettere, circa 3 miliardi di basi.

Questo librone è diverso per ognuno di noi e comprendere ciò che ci differenzia è importante.

Un individuo differisce da un altro per una base ogni 1000, in totale si hanno 6 milioni di differenze: alcune sono innocue, altre possono generare fenotipi patologici (malattie genetiche).

Identificazione genetica

È possibile identificare il proprietario di una traccia di materiale biologico?

Sì, è possibile identificare una persona a partire da un capello o saliva, ma la polizia non riesce a distinguere nei casi di gemelli monozigoti poiché possiede strumenti non molto accurati covis.

Test messo a punto dall’FBI chiamato che funziona e individua la persona cui appartiene quel frammento, con questo però non si possono distinguere i gemelli; il sequenziamento invece sì.

Questo test richiede molti minuti, a volte anche ore.

Con questo si può anche fare il test di DNA per sapere di chi si è figli.

Per il prezzo di sequenziamento, questo varia da quanti geni si vuole sequenziare e da che strumenti si utilizzano (va dai 1000 ai 10.000 euro).

Non c’è bisogno di sequenziare tutto il genoma se usiamo una sequenza specifica per distinguere tutti, di questa si va a guardare ciò che cambia —> sequenziare solo un frammento del genoma ha senso perché:

• Per alcune analisi non serve tutta la sequenza del DNA.
• Un genoma completo letto non dice nulla —> la sequenza del genoma deve anche essere interpretata.

Oggi il genoma viene sequenziato, ma non base per base a seconda degli scopi con cui lo si fa fare (trovare parenti sparsi per il mondo, info per la salute della persona, fattori di rischio genetici, predisposizione a malattie…).

Il nostro programma genetico determina come siamo e come rispondiamo ai farmaci.

Farmacogenomica —> area della scienza in espansione, basta una goccia di saliva alle ditte per sequenziare il DNA.

Medicina di precisione. Grazie a questi sequenziamento si parla di (=approcciare il paziente sulla base del suo profilo genetico che si ottiene da sue cellule normali o patologiche come i tumori).

Metodo di selezione in provetta

Potenziali embrioni in stato di morula già stati analizzati geneticamente per vedere che problemi potrebbero sviluppare nel corso della vita.

In Italia la legge dice che l’embrione è sacro e non si può preferire uno all’altro ma grazie al pronunciamento di due corti in Italia si può fare.

Diagnosi pre-impianto. La tecnologia usata è la che può essere usata per le malattie genetiche mendeliane: si preleva una cellula da un embrione e si analizzano le parti che ci interessano con appositi strumenti —> si può svegliare di impiantare un embrione sano.

Manipolazioni del DNA

Dalla lettura del DNA si possono ricavare moltissime informazioni rilevanti per la medicina e per organizzare la propria vita, ma il gioco si fa interessante quando si capisce riscrivere che si può anche un genoma —> le informazioni scritte nel genoma si possono riscrivere.

Sono state già corrette delle sequenze OGM.

La riscrittura del genoma è utile in numerosi ambiti: dalla produzione di farmaci alla correzione di geni implicati nelle malattie, fino agli.

Manipolare il DNA è utile per chi studia la biologia.

Esempio: topi verdi quando illuminati da una lampada UV perché esprimono una proteina che normalmente non è presente nei topi, ma è stata aggiunta artificialmente.

Se questi topi modificati crescendo sviluppassero un tumore, le cellule tumorali sarebbero facilmente rintracciabili e perseguibili.

Per riscrivere un intero genoma, basta anche cambiare una lettera a un genoma, le modifiche quindi sono di varia natura e dimensione.

Il biologo Craig Venter ha creato una cellula artificiale sintetizzando da zero un genoma con più di un milione di basi.

Biologia sintetica —> che per ora si può applicare solo sui microorganismi.

Maldini e De Luca hanno realizzato dei protocolli di terapia genica che hanno curato gravi malattie —> è possibile curare malattie tramite tecnologie di terapia cellulare e ingegnerizzazione del genoma delle cellule.

Tecnologia CRISPR/CAS9 usata in due gemelle cinesi che hanno subito una modificazione del genoma —> ha vinto il Nobel questa tecnologia.

La scienza è diversa perché i risultati non sono mai definitivi, ma sempre provvisori.

Che cos’è un gene?

Non c’è una definizione di gene cellulare discreto.

Gene=fattore in grado di determinare alcuni caratteri manifesti (fenotipo) —> definizione di Mendel che non prende in considerazione le molecole —> definizione universalmente valida.

Mendel introduce un aspetto quantitativo, conta il numero di fiori ottenuti dai vari incroci.

Le informazioni sono contenute nel nucleo, queste si dividono durante mitosi o meiosi.

La prova che i geni risiedessero nel cromosoma la diede Morgan che analizzando la trasmissione dei cromosomi, riuscì a correlarle la trasmissione di alcuni caratteri con la trasmissione del sesso.

Morgan e Darwin inizialmente non credevano a Mendel.

Funzionamento dei geni

Garrod scopre che alterazioni geniche possono alterare le funzioni biologiche —> scoperta fatta mentre studiava l’alcaptonuria.

La biologia molecolare è nata analizzando una grande quantità di organismi scorrelati, ognuno dei quali ha fornito informazioni.

• Neurospora —> un gene codifica per un enzima.
• Drosophila —> le mutazioni possono essere indotte da agenti chimico-fisici.

Geni sono capaci di influenzare il metabolismo attraverso la codifica di enzimi (=proteine) —> i biologi ritenevano che i geni fossero fatti da proteine perché sono molecole *icomplesse (20 lettere contro le 4 del DNA) nucleina.

• Miescher analizzando il pus delle bende dei malati (ricco di linfociti) scoprì che nel nucleo c’erano le proteine e la (comporta da DNA).

Non era ancora chiaro che il materiale genetico fosse il DNA, si pensava fosse solo un materiale di supporto per le proteine che contenevano l’informazione genetica.

DNA viene scoperto da Miescher analizzando il pus dalle bende dei malati (ricche di eritrociti dai quali si può purificare il nucleo), il DNA —> il era legato a proteine e si pensava che queste portassero le info.

Teorie evolutive

Teorie evolutive. Un altro caposaldo della biologia molecolare sono le che influenzano tutta la biologia.

In biologia nulla accade per uno scopo, i cambiamenti precedono la loro espressione.

Lamark —> gli organismi si adattano all’ambiente (cercano di cambiare la loro struttura) e trasmettono i propri cambiamenti ai figli.

Prima cambiamento e poi trasmissione.

Darwin —> modificazioni che generano diversità si producono prima e dopo agiva la selezione naturale riproduttivo.

Per lui le varianti (=cambiamenti) derivavano dall’isolamento.

Elabora questa teoria pensando agli allevamenti degli animali di razza —> per ottenere una nuova varietà canina si prende un numero piccolo di individui con le caratteristiche che vogliamo e li facciamo riprodurre tra di loro.

Sbagliato perché non conosceva Mendel poiché dall’incrocio di due invidi possono comparire delle varianti recessive, dominanti… —> l’isolamento riproduttivo generava più fenotipi diversi perché era più alta la probabilità che comparissero fenotipi recessivi.

Nell’evoluzione ci sono due motori:

• Uno che genera i cambiamenti.
• Uno che seleziona i cambiamenti.

I geni sono responsabili di questo e devono essere compatibili con questa teoria neo-darwiniana: le varianti sono prodotte casualmente o quasi perché ci sono delle condizioni che accelerano la comparsa delle mutazioni.

Teoria neo-darwiniana: gli organismi si adattano ai cambiamenti dell’ambiente attraverso la selezione di varianti geniche precedentemente prodotte.

Barriera di Weissman —> concetto che fa abbandonare la teoria di Lamarck.

2 compartimenti: somatico e germinale, due linee: somatica e germinale —> non tutte le cellule dell’organismo danno origine a una nuova generazione.

Se il soma si adatta ai cambiamenti ambientali ma non c’è una variazione simile nella linea germinale, gli adattamenti non possono essere trasmessi alle generazioni future.

Si pensa che ci possa essere un superamento di questa barriera grazie all’epigenetica —> teorie scientifiche considerate provvisorie (=valide fino a quando non vengono smentite).

La teoria neo-darwiniana può essere considerata valida, alcuni aspetti possono essere perfezionati, ma non stravolti.

Innovazioni che hanno permesso la nascita della biologia molecolare

Batteri, i biologi molecolari hanno scoperto qual è e come funziona il materiale genetico studiando i anche se sono diversi da noi.

Popolazioni clonali. Studiare batteri e virus permette di contare il numero di individui con determinate caratteristiche producendo le coltivazione —> metodo chiamato e offre la possibilità di ottenere organismi geneticamente identici (=cloni) partendo da una cellula.

Poter analizzare questi organismi ha permesso lo sviluppo della biologia molecolare.

Koch —> innovatore che è riuscito a sviluppare un nuovo metodo per poter isolare diverse specie di batteri.

Con terreni di coltura è stato possibile isolare singole cellule batteriche e virali usate poi per creare cloni fluttuazione.

Inizio della biologia molecolare dato da Luria e Delbruck —> la loro collaborazione ha portato all’esperimento di.

Luria studiava l’effetto delle radiazioni sui batteri.

Delbruck era un fisico.

Nell’esperimento di fluttuazione dimostrano che i batteri avevano i geni (al loro tempo non era scontato) —> batteri usati per esperimenti genetici visto che hanno i geni.

Ciò che ha reso possibile l’esperimento è la resistenza ai virus da parte dei batteri —> se si infettano dei batteri con dei virus, alcuni sopravvivono, ma questa sopravvivenza è un fenomeno casuale, a volte si formano tanti batteri resistenti e altre volte no e questo fenomeno casuale ha luogo prima dell’esposizione al virus —> virus e batteri hanno i geni —> manco per i batteri vale Lamark.

Schrodinger studiò la stabilità e la dimensione dei geni —> va a studiare le mutazioni indotte dalle radiazioni.

Geni piccolissimi —> detto da Delbruck, pochi atomi per un gene.

Geni —> oggetti nell’ordine di grandezza della meccanica quantistica, ma i geni sono stabili, le mutazioni sono sono comuni —> geni piccoli ma stabili, non si faceva a capire come il DNA fosse piccolo quanto stabile —Z si pesava che avesse una str cristallina, oppure per il fatto che contenesse tantissima info che fosse in grado di cambiare moltissimo.

Cristallo aperiodico. Schroedinger definì il gene come un.

Avery poi dimostrò che il materiale genetico era il DNA.

Studiò infatti gli pneumococchi dove si potevano distinguere fenotipi diversi, nelle sue piastre c’erano colonie diverse che si comportavano diversamente anche a livello patogenico.

La caratteristiche patogeniche potevano essere trasferite da un batterio all’altro tramite un materiale che Avery isolò: il DNA.

Avery non prende il Nobel.

Chase e Hershey sì —> dimostrarono che il DNA contiene informazioni.

Utilizzano due tipi di un batteriofago:

• Uno cresciuto in un ambiente con isotopo 35S.
• L’altro cresciuto in ambiente con isotopo 32P.

Mettendo a contatto i due batteriofagi con dei batteri:

• I batteri infettati dal primo tipo di macrofago non avevano residui radioattivi all’interno.
• I batteri infettati dal secondo tipo ne avevano cristallografia a raggi X.

Watson e Crick ne individuano la struttura usando la —> struttura regolare, paragonabile a un cristallo perché le distanze tra le basi sono sempre uguali —> da questa struttura si partì per capire il meccanismo di duplicazione.

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Dogma centrale della biologia

Crick è stato uno dei padri fondatori della biologia molecolare poiché capisce come funziona il flusso dell’informazione genetica (=dogma centrale della biologia).

L’info genetica scorre da DNA a RNA a proteine —> una volta che l’info arriva dalla proteina non può tornare indietro.

Era una possibilità, all’epoca non si conosceva bene il ruolo dell’RNA, per quanto ne sapevano le proteine potevano essere sintetizzate direttamente a partire dal DNA.

Cercavano di comprendere la funzione dell’RNA poiché alcuni organismi lo utilizzavano come materiale genetico.

Frecce ricorsive (circolari) da DNA a DNA —> DNA può essere facilmente ricopiato, stessa cosa vale per l’RNA (—> osservato nei virus a RNA come il SARS-cov-2.

Crick ipotizza poi che l’info possa andare indietro da RNA a DNA —> non c’era ancora nessun riscontro chimico-fisico trascrittasi inversa.

Anni dopo si scoprirono i retrovirus dove effettivamente ciò accade grazie alla.

Escludeva però che le proteine potessero duplicarsi o che dalle proteine si potesse arrivare a RNA e a DNA —> ipotesi mai smentita quindi la sua ipotesi rimane in piedi.

Genomi e geni

Dopo aver individuato la forma e il flusso, bisogna saper leggere le sequenze delle basi e comprenderla.

DNA —> molecola regolare, caratterizzata da ripetizioni di gradini costituiti da coppie di basi e capace di immagazzinare informazioni in maniera illimitata.

Informazioni immagazzinate nella sequenza delle basi —> cambiando i nucleotidi si cambia informazione —> per leggere l’informazione bisogna leggere la sequenza.

Leggere le informazioni genetiche di un organismo significa determinare la sequenza del suo genoma.

Genoma= insieme si tutte le informazioni genetiche di un organismo.

Nel caso del genoma umano ci sono 3 miliardi di basi.

Nell’escherichia coli ce ne sono 4,6 mln.

Gene= unità di informazione genetica.

Sono molecole di acidi nucleici —> si voleva leggere l’informazione contenuta al loro interno.

Foto del nucleo di una cellula, con il microscopio elettronico si possono vedere le molecole di DNA che sono una matassa di fili intrecciati, cercare di leggere i nucleotidi cercando di ingrandire questa immagine è impossibile perché le informazioni sono ingarbugliate —> complicato leggere l’info direttamente —> si può usare la biochimica e la genetica per tentare di leggere.

Bisognerebbe isolare dei piccoli frammenti di DNA per renderlo più maneggevole.

I fili di DNA soni molto lunghi e sottili —> rischio che si rompano cromatina —> la cellula ha ricorso a dei metodi che ordinando la matassa —> il DNA nelle cellule si trova sotto forma di (=avvolto intorno agli istoni) che si compatta al momento della duplicazione e divisione eucromatina.

I geni inattivi della cellula tendono ad essere associati alla membrana cellulare nella eterocromatina (compatta —> scura), le zone più chiare sono di.

Nella parte centrale c’è il nucleolo, formato per la maggior parte da RNA e da DNA che è anche molto compatto.

Strumenti che ci hanno permesso di lavorare con i geni

Colture batteriche

1) Robert Koch è stato uno dei precursori della biologia molecolare perché ha studiato e isolato il microbatterio della tubercolosi, grazie a lui abbiamo imparato a lavorare con i batteri.

Le piastre batteriologiche sono anche usate nella clinica.

Esempio: esame delle urine si fa la conta batterica delle urine —> urinocoltura —> seminazione di un piccolo campione di urina su queste piastre e osservare lo sviluppo di queste colonie.

Le piastre contengono nutrimenti, un gel (agar, polisaccaride).

Quando abbiamo a che fare con i batteri usiamo la piastra batterica che contiene gel di agar e agarosio (polisaccaride) e proteine.

Per formare il gel bisogna farlo scaldare e raffreddare.

Inizialmente le catene del gel sono tenute insieme da legami a H (dovuti agli OH dei carboidrati) che sono deboli, ma se ne formano molti la risultante è forte —> struttura stabile e ordinata (reticolo) —> l’acqua non riesce ad inserirsi.

Se alziamo la temperatura si riesce a far entrare l’acqua nelle catene perché i polimeri si separano —> i polimeri vengono idratati —> danno luogo a una rete di polimeri con buchi pieni di acqua.

L’acqua non si disperde perché intrattiene moltissimi legami con i polimeri —> qualsiasi cosa intrappolata in queste reti ha difficoltà a muoversi.

I nutrienti vengono sciolti nell’ agar per formare il gel popolazioni clonali.

Per ottenere bisogna seminare una piccola quantità di batteri.

Le colonie si formano a partire da una singola cellula batterica che è stata seminata —> colonia visibile perché i batteri faticano a muoversi, rimangono fermi e in superficie formano mucchetti visibili (non si una l’amido perché i batteri lo userebbero come nutriente) clone.

La colonia viene chiamata (=popolazione clonale).

Ogni colonia è una popolazione clonale.

Cloni = organismi geneticamente identici derivanti da un’unica cellula iniziale.

Queste popolazioni clonali permettono a Koch di distinguere diversi batteri.

Dopo aver sparso per esempio l’urina, dopo qualche ora si evidenziano colonie, ogni colonia (mucchietto bianco), deriva da una molecola di urina.

I batteri che proliferano non si muovono perché sono intrappolati nella rete di polimero.

Luria scopre che i batteri avevano dei geni —> ci sono caratteristiche che si possono evidenziare e trasmettere da un batterio all’