Il materiale genetico DNA e RNA

Cap 1: Il materiale genetico

In genetica vengono studiate le modalità con cui le caratteristiche di un individuo sono trasmesse da una generazione a quelle successive. La genetica è importante per la vita di ogni organismo che sia vegetale, animale o un batterio. Nell’uomo, ad esempio, influenza tutte le caratteristiche fisiche, la personalità, la predisposizione all’insorgenza di determinate malattie. La somiglianza dei figli ai genitori era una cosa nota da tempo ma quali fossero i motivi di questa somiglianza, ovvero i principi dell’ereditarietà, no e questi sono stati scoperti/capiti soltanto a metà del XIX secolo dagli studi di Mendel (1860). Lo stesso Mendel non aveva la minima idea di quale fosse la sostanza cellulare ossia il materiale genetico responsabile del trasferimento dell’informazione ereditaria.

Questo materiale genetico doveva essere in grado di contenere un numero elevato di informazioni, ossia immagazzinare tutte le istruzioni necessarie alla creazione di un nuovo organismo, e doveva essere in grado di replicarsi in maniera precisa nel passaggio da una generazione a quella successiva. Infine, doveva anche essere in grado di variare dal momento che, ad esempio, gli individui di una stessa specie sono diversi tra di loro. Questa sostanza è stata cercata a lungo da numerosi scienziati: si sapeva già alla fine dell’800 e i primi dei ‘900 (grazie agli studi di alcuni scienziati come Wasmann, Boveri e Morgan) che il materiale genetico fosse racchiuso nei nuclei delle cellule, in particolare nei cromosomi. Quello che non era noto, era la composizione chimica del materiale genetico, fosse esso DNA o proteine. Oggi sappiamo che il materiale genetico è rappresentato dal DNA ossia acido desossiribonucleico che è il materiale genetico di tutti gli organismi viventi.

Diversi scienziati hanno a lungo ricercato il materiale genetico e numerosi sono stati gli esperimenti pensati ed effettuati in laboratorio al fine di trovare una risposta a questa domanda. Ne vengono citati solo alcuni, per far capire quanto lavoro e quante idee innovative possono esserci dietro a una qualsiasi conoscenza scientifica che oggi noi diamo per acquisite.

Esperimento di Griffith (1928)

Griffith ha utilizzato il batterio Streptococcus pneumoniae, batterio responsabile della polmonite. Questo batterio esiste in una forma virulenta (indicata come ceppo S) e in una forma non virulenta (indicata come ceppo R). Il ceppo S è detto così perché il batterio è rivestito esternamente da una capsula polisaccaridica che fa apparire la forma della colonia batterica liscia quando i batteri vengono fatti crescere su un terreno solido. Viceversa, il ceppo R, è privo di questa capsula e forma invece delle colonie ruvide.

Iniettando nel topo cellule vive del ceppo S il topo muore mentre iniettando cellule vive del ceppo R il topo vive. Se i batteri del ceppo S venivano denaturati e uccisi con il calore e la miscela di batteri morti veniva poi iniettata nel topo, questo viveva normalmente (questo era atteso dal momento che le cellule batteriche sono state uccise e quindi non sono in grado di replicare e indurre la polmonite). La cosa sorprendente fu il fatto che, quando nel topo veniva iniettata una miscela di batteri virulenti morti con una di batteri vivi del ceppo R, il topo mostrava prima i sintomi della polmonite e poi moriva. Dal sangue del topo morto, si trovarono batteri del ceppo virulento vivi (ovviamente non resuscitati). Griffith ipotizzò che qualche sostanza presente nella capsula dei batteri morti potesse essere responsabile di questa trasformazione e chiamò questa sostanza, il “principio trasformante”.

Lo stesso esperimento di Griffith venne ripetuto, qualche anno dopo, da altri due ricercatori quali Sia e Dawson (1931) utilizzando lo stesso schema di esperimento ma, al posto del topo, le cellule batteriche venivano fatte crescere in coltura cioè su piastre di terreno solido. Le cellule di tipo R vive, se messe in una coltura, danno origine a colonie di tipo R mentre le cellule di tipo S (denaturate), se messe in coltura, non danno nessuna colonia. L’esperimento era stato quello di prendere cellule del tipo R vive, mescolarle con cellule del tipo S denaturate e uccise e mettere il tutto in coltura. Anche in vitro, si otteneva comunque la trasformazione in cellule di tipo S virulenti.

Ma qual è la sostanza chimica che ha provocato la trasformazione? Sicuramente doveva essere contenuta nella miscela dei batteri di tipo S denaturati, quindi poteva trattarsi di polisaccaridi (che formavano la capsula) o di qualsiasi altra componente quali proteine, lipidi, DNA o RNA. La risposta arrivò dall’esperimento svolto da Avery, MacLeod e McCarty (circa 1944), i quali affrontarono il problema andando a distruggere chimicamente i principali tipi di sostanze presenti nella miscela di cellule uccise al calore. Presero questa miscela e, prima di mescolarla con le cellule vive di tipo R, la trattarono chimicamente con degli enzimi che rimuovevano selettivamente polisaccaridi, proteine, DNA e così via. Venne poi tutto iniettato nel topo ed emerse che, solo distruggendo il DNA, il topo non moriva, a dimostrazione che il principio trasformante e quindi l’informazione genetica risiede proprio all’interno del DNA.

Esperimento di Hershey e Chase (1952)

La prova definitiva di tutto ciò si è ottenuta con l’esperimento di Hershey e Chase del 1952 impiegando il batteriofago T2. I batteriofagi sono virus che infettano le cellule batteriche e, in particolare, il T2 infetta l’Escherichia coli. Il batteriofago è una particella infettiva formata da materiale genetico, in questo caso DNA, avvolto da un involucro proteico detto capside. Nel ciclo di infezione del fago T2, la particella virale si attacca alla parete batterica e inietta il proprio DNA all’interno mentre il capside resta all’esterno. Una volta che il DNA è entrato, si replica, costringendo la cellula batterica a sintetizzare le proteine fagiche e, al termine del processo, si genera una progenie fagica che fuoriesce dalla cellula batterica uccidendola. Poiché la progenie fagica ha le stesse caratteristiche del fago infettante, è evidente che il materiale genetico doveva essere trasmesso dal fago infettante alla progenia.

Quindi, sempre nell’intento di determinare la natura del materiale genetico, vediamo ora qual è stato l’esperimento che i due ricercatori hanno ideato per rispondere a questa domanda. In questo esperimento, cercarono di stabilire se l’informazione genetica del fago T2 fosse contenuta nelle proteine o nel DNA. Per fare ciò, utilizzarono gli isotopi radioattivi dello zolfo, lo zolfo 35 e del fosforo, il fosforo 32 per marcare rispettivamente le proteine e il DNA. Lo zolfo è contenuto nelle proteine ed è assente nel DNA e il fosforo viceversa. I ricercatori ottennero, per prima cosa, delle particelle fagiche in cui il DNA era marcato con il fosforo 32 e separatamente particelle fagiche con le proteine marcate con zolfo 35. Una volta ottenut