In tempi abbastanza recenti, e cioè negli anni settanta, gli scienziati hanno imparato a trasferire brevi segmenti di DNA di un organismo al DNA di un organismo diverso. Nel corso di pochi anni questa tecnica, detta ingegneria genetica, ha rivoluzionato gli studi biologici consentendo quelle che vengono definite "manipolazioni genetiche della cellula".
Le fasi
La tecnologia del DNA ricombinante consiste in tre fasi: estrarre il DNA di un organismo e frammentarlo in porzioni ben definite; tra queste isolare un frammento che contiene uno o più determinati geni; quindi trasferire il frammento prescelto al DNA di un altro organismo, dove quel gene o quei geni verranno duplicati ed espressi. In tal modo, l'organismo ricevente produrrà, oltre alle sue proteine, anche le proteine codificate dai geni contenuti nel segmento di DNA estraneo. A differenza dalle ricombinazioni naturali, quelle praticate con la tecnologia del DNA ricombinante sono indirizzate secondo obiettivi deliberatamente stabiliti in base a precisi "interessi umani". La possibilità di manipolare il DNA si è concretizzata quando si è scoperto: come tagliare le molecole di DNA in punti ben determinati, usando particolari enzimi di origine batterica; come collegare i frammenti così prodotti ad altri frammenti di DNA provenienti da organismi completamente diversi; come impiegare opportuni vettori per trasferire il DNA estraneo all'interno della cellula ospite.
Come si possono tagliare frammenti specifici di DNA...Molti batteri producono particolari enzimi, detti enzimi di restrizione che, funzionando come "forbici molecolari", tagliano le molecole di DNA in frammenti. Gli enzimi di restrizione sono molto specifici e tagliano le molecole di DNA solo in corrispondenza di certi siti caratterizzati da una ben determinata sequenza di basi azotate. Il primo enzima di restrizione, detto Eco RI, fu scoperto nel batterio Escherichia coli. Da allora sono state individuate alcune centinaia di enzimi di restrizione:i biologi molecolari hanno oggi a disposizione una grande varietà di "forbici", ognuna delle quali taglia il DNA in corrispondenza di una specifica sequenza di basi azotate. Inoltre, il DNA viene tagliato tra le stesse due basi su entrambi i filamenti: nel caso illustrato in figura (relativo a Eco RI), tra guanina e adenina. Si ottengono così due frammenti di DNA, uno con un'estremità di un filamento singolo che si legge TTAA e l'altro con un'estremità anch'essa di filamento singolo che si legge AATT. Grazie ai legami idrogeno che si formano tra le coppie di basi azotate complementari (T-A e A-T in questo caso), queste due sequenze tendono ad aderire l'una all'altra. Per questa loro caratteristica, estremità di questo tipo vengono dette sticky ends, ossia "terminazioni appiccicose".
...come questi frammenti possono essere uniti con altri frammenti...Questa unione temporanea tra due frammenti anche diversi ma con le stesse "terminazioni appiccicose" complementari può essere resa permanente mediante l'azione di un altro enzima la DNA-ligasi. Esso determina la formazione di legami covalenti tra le sequenze di desossiribosio e fosfato che formano l'ossatura dei frammenti di DNA. In tal modo, usando prima gli enzimi di restrizione e quindi la DNA ligasi, biologi molecolari sono stati in grado di tagliare e ricombinare in provetta due frammenti qualsiasi di DNA, a patto naturalmente che questi presentino terminazioni complementari, cioè che sano state ottenute tagliando i rispettivi DNA con lo stesso enzima di restrizione.
...e come introdurre i frammenti voluti nel DNA dei batteriIl problema più grosso problema che gli scienziati si sono trovati ad affrontare è stato l'inserimento del segmento di DNA in una cellula vivente nella quale non solo esso potesse duplicarsi, ma anche codificare nuove proteine. Gli organismi che meglio si prestavano a questo scopo erano i batteri, perché presentano dei piccoli anelli di DNA a filamento singolo, detti plasmidi, nei quali risultava più facile trasferire frammenti di DNA prelevati da un altro organismo. In questo modo si crea una "ricombinazione genetica artificiale", cioè una nuova molecola di DNA con una diversa disposizione dei geni. Per questo motivo il nuovo plasmide ibrido è stato chiamato DNA ricombinante.
Che cosa fare del batterio modificatoUna volta ottenuto il batterio modificato, è possibile amplificarlo, facendone milioni o miliardi di copie, secondo un processo detto clonazione. E' sufficiente prendere i batteri con il gene dalle colonie, e farli crescere sui giusti metodi di coltura. Da una coltura batterica del genere si può isolare allo stato puro una grande quantità del plasmide ricombinante, per ricavare numerose copie del gene, al fine di studiarlo dettagliatamente. Oppure, si può ottenere che i batteri producano grandi quantità della proteina codificata da quel gene, magari per scopi medici. Un altro metodo per fare copie di segmenti specifici di DNA è la tecnica chiamata reazione a catena della polimerasi (PCR), divenuta di fondamentale importanza nella ricerca genetica e in biotecnologia. Per mezzo della PCR è possibile realizzare miliardi di copie di geni selezionati.
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