venerdì 20 febbraio 2015

Che cosa "non" è il DNA?

http://it.wikipedia.org/wiki/DNA
Articolo di: AleK

Un post "anomalo" quest'oggi, ma non troppo.
Tempo e voglia permettendo, inizierò a scrivere alcuni articoli a tema scientifico, relazionati con la biologia molecolare e la biochimica, e di pura divulgazione. Credo che in un blog in cui si parla anche di fantascienza possa essere utile, magari da queste parti gira qualche scrittore e questi post gli poterebbero fornire qualche ispirazione o magari lo potrebbero aiutare a comprendere e a usare al meglio certi concetti complessi.
Dunque se siete capitati per caso in questa pagina, spinti dalla necessità di sapere più in dettaglio che cosa sia il DNA beh, credo che ne rimmarete un po' delusi... Non farò alcuna trattazione biochimica del DNA, non voglio trasformare questo blog in un clone di Wikipedia, là troverete tutte le informazioni necessarie per una infarinatura sull'argomento e forse anche di più. Queste righe sono destinate a chi è a digiuno di certi argomenti e vuole averne una conoscienza "pratica" senza doversi imparare il vocabolario tecnico.

Questo articolo nasce dall'esperienza pratica: mi sono reso conto che gli studenti, 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 fossere un qualcosa di mistico e speciale.

Dunque 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...

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 cacciarci 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, beh 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 dovrebbe essere 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).

[In ogni caso, dubitate fortemente di chi usa il suffisso "nano" per descrivere i propri studi facendoli sembrare chissà che... fa quello che tanti altri ricercatori fanno da diversi decenni, ha solo modernizzato un po' il nome per renderlo più figo e alla moda]

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 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... forse!) ma se io avessi una sequenza di DNA, biochimicamente sarebbe per me impossibile sapere a quale specie appartenga.
L'unica possibilità sarebbe, prima sequenziarla (scoprire la sequenza dei nucleotidi) e poi inserire questa sequenza in un database contenente i genomi di vari organismi (ovvero la sequenza di tutto il DNA di vari organismi).
Oggi è abbastanza economico, facile e veloce da fare, 15 anni fa per nulla.

http://www.genome.gov/sequencingcosts/
Come potete notare agli inizi degli anni 2000 sequenziare una megabase (una sequenza di DNA contenente un milione di basi) costava circa 10mila dollari, oggi solo pochi centesimi...
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 erana 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...

Tutto questo per dire che il DNA è DNA e nient'altro, 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 (ipotetico) 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.

Ma perché inserire geni umani in batteri o lieviti?
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.

Nei prossimi articoli, se avrò il tempo, parleremo un po' del concetto di "gene" e di manipolazione del DNA, ovvero come lo si estrae, lo si lavora e lo si inserisce in altri organismi.
Magari prima scriverò 2-3 (mila) righe per parlare anche un po' di proteine e lipidi.

Alla fine del viaggio avrete (spero) le idee molto più chiare su quello che si fa nei laboratori di ricerca, vi renderete conto che quello che sembra assolutamente misterioso è in realtà piuttosto semplice e naturale (molte cose non le abbiamo inventate noi, le abbiamo copiate dalla natura, come le piante trasgeniche e gli antibiotici), e scoprirete che nei film, quando si parla di biologia, si sparano solo delle grosse cagate... spesso anche nei TG e nei giornali.

Se qualcuno avesse qualche domanda, non esiti a scriverla nei commenti...

EDIT: continua con l'articolo Le estrazioni di DNA.

5 commenti:

  1. Bellissimo articolo introduttivo. Spero ne arrivino molti altri.

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  2. Questo articolo è semplicemente fantastico e davvero ti prego di continuare! La mia domanda è questa: hai parlato di "produrre proteine di interesse scientifico e medico.", volevo chiederti a che scopo? per creare farmaci? sono purtroppo veramente un newbie di questi argomenti (i miei studi sono prettamente umanistici), ma mi hanno sempre incuriosito! Mi scuso quindi se il mio commento ti è potuto sembrare inutile...

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  3. Mille grazie ad entrambi, cercherò di non deludervi... ^^'

    @Rento: dal punto di vista medico sì, lo scopo è produrre farmaci. Alcuni esempi di proteine "ricombinanti" (così si chiamano le proteine ottenute con l'ingenieria biomolecolare) usate in medicina sono: l'insulina per la cura del diabete mellito; l'EPO (eritropoietina) per la cura dell'anemia dovuta ad insufficienza renale; il tPA, utilizzato per rimuovere i coaguli in caso di ischemie; ecc...
    Le proteine sono sequenze di amminoacidi (sono etero-polimeri) con una caratteristica, non solo è importante la sequenza di questi amminoacidi, ma anche la forma tridimensionale che la proteina otterrà. Ovvvero, il "filamento" di amminoacidi, una volta sintetizzato dalle cellule, si ripiegherà su se stesso più volte, conferendogli una certa struttura.
    Quella struttura è fondamentale per le sue funzioni, dunque abbiamo bisogno delle cellule, non solo per sintetizzarle in maniera economica, ma anche per ottenere la struttura tridimensionale corretta! Senza contare poi che le cellule, dopo che hanno sintetizzato una proteina, la possono pure modificare chimicamente e queste modifiche sono essenziali per il suo funzionamento.
    L'EPO ad esempio non può esser sintetizzata in batteri (o meglio, si può, ma non sarebbe "attiva"), è necessario usare cellule di mammiferi, perché i batteri non possiedono l'apparato biochimico necessario per apportare le modificazioni chimiche necessarie.

    A livello di ricerca scientifica, si usano le tecniche di cui parlavo, non solo per produrre farmaci, ma anche per studiare i processi biologici o la funzione/struttura di proteine specifiche.
    Ci sono tante tecniche e utilizzi, un esempio solo: ho la sequenza di DNA che codifica per la proteina X, posso aggiungere alla sua estremità la sequenza di DNA che codifica per una proteina fluorescente. Ottengo così una sequenza di DNA molto più lunga. La inserisco in una cellula, la cellula la tratterà come qualsiasi sequenza di DNA, e inizierà a produrre la proteina relazionata. Solo che io ho fuso DUE sequenza di DNA senza inserire sequenze che segnalano alla cellula la "fine" e l'"inizio" di proteine diverse, dunque la cellula tratterà la mia sequenza come fosse quella di UNA sola proteina.
    Il risultato sarà una proteina più grande formata in parte dalla mia proteina X e in parte da una proteina fluorescente.
    Questa si chiama "Chimera" e con gli opportuni accorgimenti posso fare in modo che sia la mia proteina X sia la proteina fluorescente siano entrambe funzionanti, nonostante la loro "unione".
    Che posso fare con questa chimera?
    Beh, innanzi tutto posso guardare le cellule con un microscopio a fluorescenza, e VEDERE dove la mia proteina X si trova dentro alla cellula, grazie alla luce emessa dalla proteina fluorescente che le ho appiccicato (cosa altrimenti impossibile). Poi ci sono tanti altri studi molto più sofisticati che si possono fare e che possono dirmi con quali proteine la mia proteina X interagisce, in che parte del ciclo cellulare viene prodotta, ecc...

    Come si fanno a fare tutte queste cose?
    Ecco, il fine dei prossimi (ipotetici) articoli sarebbe proprio quello di spiegare come si fanno queste cose a chi non è un professionista del settore. ^^'

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    1. Mi incuriosisce troppo la questione di inserire geni umani in batteri o lieviti, cioè la trovo una cosa assurda (in senso positivo!).
      Comunque non vedo l'ora di leggere i prossimi articoli, anche perché potrebbero tornarmi utili nella scrittura! (la tua immagine profilo è veramente troppo!)

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    2. Eh eh, sembrano assurde perché quando si parla di "geni" spesso si fraintende il significato e si pensa ai caratteri ereditabili come occhi, capelli, orecchie, ecc...
      Da questo piccolo fraintendimento viene l'idea che se metto un gene umano in un topo gli posso far crescere un orecchio sul dorso. Ovvero creo un mostro... ^^

      In realtà i caratteri ereditabili, la loro forma e anatomia, sono il risultato dell'azione di tantissimi (prodotti di) geni che si incrociano tra loro in momenti distinti del nostro sviluppo embrionale.
      Nel caso specifico di questo articolo (il concetto di gene può esser difficile da spiegare) un gene è solo una sequenza di DNA che codifica l'informazione per creare una proteina.
      E una proteina non ha nulla di "umano", è solo una molecola. Molte proteine umane sono quasi uguali a quelle di tante altre specie viventi... per esempio, prima di creare l'insulina ricombinante, si usava l'insulina estratta dal pancreas dei maiali. ^^

      A volte questi geni vengono inseriti in batteri non per produrre proteine, ma per aumentarne il numero.
      Se ne possiede una piccola quantita, si inseriscono in alcuni batteri, i batteri ogni mezz'ora, replicandosi, duplicano il loro numero (e quindi anche il nostro frammento di DNA) e in una notte noi otteniamo tantissime copie partendo da poche. Ovviamente prima lo dobbiamo "tirar fuori" dai batteri... :)

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