Tutte le varie forme di vita hanno un proprio codice genetico. Ma tutte, dai virus ai batteri fino ai mammiferi e alle piante, trasmettono le informazioni genetiche servendosi di una uguale molecola detta Dna (acido desossiribonucleico). E' una molecola dalla struttura a doppia elica e lunghissima, tanto che se venisse srotolata raggiungerebbe anche i due metri. Le informazioni genetiche sono scritte nella struttura del Dna attraverso quattro molecole molto più piccole, dette "basi": adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T), che costituiscono, per così dire, l'alfabeto del codice genetico. Le informazioni genetiche sono come un lungo messaggio scritto con le sole lettere A, G, C e T, che si susseguono moltissime volte nelle sequenze più varie. Basti pensare che nell'uomo questo messaggio, cioè il suo patrimonio genetico, è costituito da circa tre miliardi di lettere. Se queste fossero stampate in un libro, sarebbe necessario un milione di pagine. E la cosa più stupefacente è che questo messaggio di tre miliardi di "lettere", o basi, è stipato all'inverosimile in ogni nostra cellula. Il contenuto del messaggio è differente secondo le specie, ma l'alfabeto del codice genetico di qualsiasi essere vivente è formato dalle stesse quattro lettere. Il Dna dà istruzioni alle cellule per la sintesi di varie proteine e tutte le attività degli individui viventi vengono controllate dal lavoro delle proteine. Il Dna, da tre miliardi di anni fa a oggi, ha prodotto vari cambiamenti e ha dato origine a svariate forme di vita sulla Terra. Tanto che la vita può essere considerata il mezzo di trasmissione del Dna di generazione in generazione. Si può anche dire che l'apparato molecolare controllato dal Dna costituisce la vita. L'Oscar dell'autoriproduzione Nell'universo esistono tantissimi tipi di molecole, ma perché proprio il Dna è la molecola che ha reso e rende possibile la vita? Perché ha una caratteristica fondamentale: è in grado di autoriprodursi. Così può trasmettere il suo codice genetico ai discendenti dell'organismo di cui fa parte. Gli esseri viventi sono formati dagli stessi elementi chimici che troviamo altrove (carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno ecc.) ma a distinguerli è proprio la presenza del Dna, la molecola che, autoriproducendosi, permette agli esseri di autoriprodursi. La struttura a doppia elica del Dna è in assoluto la più adatta a riprodurre una molecola uguale a se stessa. Paragonata a una scala a chiocciola del tipo a pioli, i montanti della scala sono rappresentati da un'alternanza di uno zucchero, il desossiribosio (D), e di un gruppo fosfato (P). I pioli che uniscono i due montanti sono rappresentati da molecole dette basi, unite a due a due: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T). Nel Dna, A si unisce sempre con T e G sempre con C. E' impossibile l'unione con una combinazione differente: per questo, quando viene stabilito l'allineamento delle basi di una metà della catena, automaticamente si decide anche la sequenza delle basi dell'altra. Quando la molecola del Dna si riproduce, per prima cosa l'unione delle basi viene scissa da sostanze dette enzimi, che hanno il compito di separare le due catene e si ha un Dna a singola elica. Partendo dalla sequenza delle basi di ciascuna catena, viene formata dagli enzimi una nuova catena di Dna con una sequenza di basi complementare alla precedente. In questo modo da una molecola di Dna con struttura a doppia elica vengono create due molecole Dna con una sequenza di basi uguale alla prima. Ciascuna doppia elica risulta dunque formata da una catena vecchia e da una nuova. La scoperta della struttura a doppia elica del Dna è stata compiuta da James Watson e Francis Crick e ha avuto conseguenze rivoluzionarie per la biologia. Due metri in ogni cellula Il compito principale del Dna è quello di produrre le proteine, da cui dipende l'intero funzionamento della cellula, dalla loro natura dipendono la struttura delle cellule e le loro funzioni. Le proteine sono catene più o meno lunghe formate da amminoacidi, di cui in natura esistono venti tipi diversi. Secondo i tipi, la quantità e l'ordine di allineamento degli amminoacidi si formano proteine con differenti funzioni. Tre basi del Dna costituiscono l'unità del codice genetico che contiene le istruzioni per formare un amminoacido (in termine scientifico si dice che "codifica per un amminoacido"). Per questo motivo, basandosi sulle informazioni del Dna le cellule possono formare le proteine. In sintesi, l'informazione genetica è data dall'allineamento delle basi del Dna. La tabella che mostra i rapporti di corrispondenza fra le tre basi e gli amminoacidi viene chiamata tabella del codice genetico ed è comune a quasi tutti gli esseri viventi della Terra. Il corpo degli organismi pluricellulari è formato da unità dette cellule. Le cellule che formano la flora e la fauna comune, compresi gli esseri umani, sono dette eucarioti. Al contrario, vengono classificati come procarioti i batteri. I procarioti hanno cellule a struttura semplice e il Dna, portatore dell'informazione genetica, è immerso al suo interno. Viceversa, negli eucarioti il Dna si trova all'interno di un nucleo delimitato da una membrana. Il Dna che si trova all'interno del nucleo di una cellula umana raggiunge circa i due metri di lunghezza: riesce a stare all'interno di un piccolo nucleo perché è ripiegato più volte. In una cellula eucariota (come nel caso dell'uomo), le molecole di Dna si arrotolano in modo complesso, con l'aiuto di proteine accessorie, dette istoni, formando strutture a bastoncello chiamate cromosomi. La specie umana contiene 22 paia di autosomi (i cromosomi che trasmettono i caratteri ereditari e non sono legati al sesso dell'individuo) e un paio di cromosomi sessuali (due cromosomi X per le donne, un cromosoma X e uno Y per gli uomini): in totale 46 cromosomi. Durante la divisione cellulare, i cromosomi replicati vengono distribuiti in maniera equivalente alle due cellule figlie e in questo modo tutte le cellule del corpo avranno un corredo cromosomico uguale a quello dell'uovo fecondato. Quando i geni si accendono Il corpo di un organismo pluricellulare, dai più primitivi insetti all'uomo, viene creato dalla ripetuta divisione di un uovo fecondato (anche questo è una cellula). Nell'uovo fecondato è inserito il Dna ereditato dai genitori e in questo sono contenute tutte le informazioni affidate ai geni (parti del Dna) che permettono di formare il nuovo organismo, di espletare le funzioni vitali e di riprodursi. Quando l'uovo fecondato, dividendosi, aumenta di volume, viene sintetizzato al suo interno un identico Dna, che si raddoppia e viene distribuito alle nuove cellule. Perciò le cellule che costituiscono il corpo di un individuo, anche se differiscono per forma e funzioni, hanno tutte lo stesso Dna. Tuttavia le informazioni contenute nel Dna non vengono usate allo stesso modo in tutte le cellule. Del codice genetico viene usata solo la parte necessaria al lavoro di quella cellula. In base all'ambiente in cui si trova una cellula, è diversa la parte del codice del Dna che la controlla. Questa dipende dalle sostanze che si trovano intorno alla cellula, dalle cellule circostanti e dal tipo di tessuto. Per questo, anche le cellule create dalla divisione di un uovo fecondato assumono forme e funzioni diverse. In sintesi, in ogni tipo di cellula la maggior parte dei geni è inattiva: agiscono solo quelli necessari alle funzioni e alla struttura di una determinata cellula. L'"accensione" e lo "spegnimento" dei geni è uno dei problemi più vivi nella ricerca biologica, poiché riattivando tutti i geni "spenti" in una qualsiasi cellula dell'organismo è possibile, per esempio, clonare un essere vivente, ossia ottenere un nuovo individuo, fotocopia di quello cui appartiene la cellula riattivata. Tale cellula viene riportata, per così dire, alla condizione iniziale di uovo appena fecondato. E' quanto accaduto negli anni scorsi con le rane e, nel 1997, con il caso clamoroso della pecora Dolly (foto a destra). La fabbrica dei bio-mattoni Il codice genetico contenuto nel Dna fornisce le informazioni necessarie alla sintesi di tutti i tipi di proteine , i "mattoni" dell'organismo indispensabili alla sua vita. Le proteine sono composti complessi, formati da una sequenza di venti amminoacidi, che si combinano in vario modo: l'enorme numero di possibili combinazioni tra i venti tipi di amminoacidi spiega la grande varietà di proteine, che sono responsabili del funzionamento dell'intero organismo. La struttura delle proteine, e cioè la sequenza di amminoacidi che le compongono, è determinata dalla sequenza delle basi del Dna. Più precisamente, il codice che specifica un dato amminoacido è formato dalla successione di tre basi, che viene chiamata "tripletta" o "codone". Dal momento che esistono quattro tipi di basi (A,C,G,T) e che un amminoacido viene specificato dalla sequenza di tre basi, in totale esistono 43, cioè 64 diverse triplette. Nelle cellule la molecola di Dna, a causa delle sue dimensioni, non può uscire dalla sua "tana" (il nucleo della cellula), mentre la fabbricazione delle proteine avviene in un'altra parte della cellula, detta citoplasma, da parte di strutture dette ribosomi. C'è quindi la necessità di un intermediario, o per meglio dire un messaggero, che prelevi l'informazione genetica dal Dna all'interno del nucleo della cellula e la trasferisca al di fuori di esso, nel citoplasma. Questo messaggero deve essere inoltre una molecola di dimensioni più piccole del Dna, affinché possa uscire dal nucleo. Si tratta dell'acido ribonucleico, o Rna, che differisce dal Dna non soltanto perché è più piccolo ma anche perché il suo zucchero è rappresentato dal ribosio e non dal desossiribosio e perché una delle sue quattro basi è l'uracile (U) al posto della timina. La sequenza di basi che nel Dna specifica la fabbricazione di una proteina viene così trascritta in una forma di Rna detta, appunto, Rna messaggero (m-Rna). Questo migra dal nucleo al citoplasma della cellula dove un'altra forma di Rna, detta Rna transfer (t-Rna), ha il compito di tradurre le famose triplette nel linguaggio degli amminoacidi. In altri termini, traduce il codice genetico nell'ordine di assemblaggio dei diversi amminoacidi per formare una determinata proteina. Per far ciò, un'estremità del t-Rna, come un "muletto" che trasporta i vari pezzi alla catena di montaggio, veicola l'amminoacido fino ai ribosomi, inserendolo nella posizione corretta della catena di costruzione della proteina. Tra le 64 triplette, inoltre, una segnala l'inizio per la fabbricazione delle proteine, e altre due ne segnalano la fine. La mappa del tesoro Il genoma è il nostro tesoro, l'intero patrimonio genetico di un essere vivente, ed è costituito dal suo Dna. Nell'uomo il genoma è formato da tre miliardi di basi, che danno origine a 80-100 mila geni in grado di ordinare la fabbricazione delle proteine. Questi geni sono contenuti in 23 coppie di cromosomi, assortiti in modo tale che ogni coppia è rappresentata da un esemplare paterno e da uno materno. Grazie agli sviluppi della biologia molecolare, negli ultimi anni gli scienziati di tutto il mondo hanno intrapreso il compito ciclopico di "mappare" tutte le basi chimiche del genoma dell'uomo e di altri esseri viventi, gene per gene. Queste "mappe" rappresentano, in un certo senso, il completo "schema biochimico" di un individuo. Nel 1995 è stata completata la prima "mappatura" delle basi del Dna di un essere vivente, il batterio Haemophilus influenzae. A questa sono seguite altre mappe di organismi inferiori, mentre si sta portando avanti la mappatura del genoma dell'uomo. Quest'ultima impresa, chiamata "Progetto genoma umano", è stata avviata a livello internazionale nel 1990 e dovrebbe concludersi nel 2005. All'Italia è stato assegnato il cromosoma sessuale X. Quando l'analisi sarà conclusa, i risultati non saranno utili solo in medicina (per conoscere i geni responsabili delle malattie ereditarie e lo sviluppo delle terapie), ma ci permetteranno di sapere da quali organismi proviene la specie umana e le fasi dettagliate del processo evolutivo. Insomma, conosceremo la grandiosa storia della vita. L'impronta che accusa Sono oltre duemila all'anno, soltanto in Italia, i casi giudiziari risolti grazie alla molecola protagonista di queste pagine. Dal 1986, quando fu ideato dal biologo inglese Alec Jeffreys delle Imperial Chemical Industries, il test del Dna è infatti entrato nelle aule di giustizia, dove rappresenta ormai uno degli strumenti più raffinati e attendibili per risolvere i casi più diversi: dalle cause di paternità ai crimini più efferati. Proprio grazie al test del Dna sono stati incastrati, tra gli altri, gli esecutori della strage di Capaci dove rimasero uccisi il giudice Falcone, la moglie e la scorta. Come nel caso delle impronte digitali, anche le impronte genetiche sono caratteristiche di ogni singolo individuo: tra i diversi esseri umani il Dna risulta uguale per un 99,9 per cento, ma nei tre miliardi di basi chimiche di questa molecola si riscontrano alcune differenze che permettono di risalire in modo inequivocabile al "proprietario". Esistono infatti alcuni punti strategici della molecola in cui la sequenza delle basi è uguale soltanto in due persone su 100 milioni. E proprio su questi punti si concentra l'analisi dei criminologi. Il Dna da esaminare viene prelevato dalle cellule dotate di nucleo (cioè tutte quelle dell'organismo tranne i globuli rossi); solitamente si usano i globuli bianchi, mentre come campione prelevato sulla scena del crimine si possono utilizzare sangue, liquido seminale, saliva, peli, capelli. Se il liquido biologico, per esempio, è stato lasciato su un tessuto o su un oggetto (strada, auto, pistola...) viene recuperato con un tampone inumidito, poi fatto seccare e congelato in attesa dell'analisi. Basta anche una quantità infinitesimale di liquido biologico per eseguire il test: per esempio, sono sufficienti 2-5 microlitri (milionesimi di litro) di sangue, 1-2 microlitri di liquido seminale, oppure un solo capello o pelo. Il Dna viene poi estratto dalle cellule attraverso sistemi chimici (bagni di fenolo cloroformio e alcol isoamilico) e "ripulito" con solventi organici. Successivamente viene tagliuzzato in una serie di frammenti, utilizzando "forbici molecolari" dette enzimi di restrizione. Particolari enzimi possono tagliare il Dna in specifici siti, corrispondenti a sequenze dette "di restrizione". Ogni sequenza di restrizione è di lunghezza diversa dalle altre collocate in uno stesso Dna. I frammenti vengono poi riordinati secondo la propria lunghezza su un gel. A questo punto le due eliche complementari del Dna di ogni frammento vengono separate con il calore o con sistemi chimici e viene ottenuta una copia permanente di tali frammenti utilizzando il cosiddetto "blotting", che consiste nel porre un foglio di nitrocellulosa o nylon al di sopra del gel, al quale i frammenti aderiscono dopo una cottura di tre ore a 80 gradi. Infine il foglio di nylon viene radiografato per avere una copia "stampata" dei frammenti. Quello che si ottiene è un foglio con tanti segmenti grigi di diversa intensità che corrispondono alle sequenze chimiche del frammento. Lo stesso procedimento viene usato per il campione con cui eseguire il confronto. Questo si esegue con diversi metodi: in primo luogo a vista, se le differenze sono talmente evidenti da risultare subito visibili, oppure con un computer, oppure ancora con mezzi chimici (sonde), attraverso esami che richiedono anche settimane per arrivare al risultato. Il "big bang" dell'esistenza Sulla Terra esiste una grande varietà di esseri viventi e tutti usano il Dna come portatore del codice genetico. Nel Dna, dunque, è scolpita la storia dell'evoluzione fin dal momento della comparsa della vita, tre miliardi e 800 milioni di anni fa. Negli attuali esseri viventi il Dna immagazzina le informazioni genetiche, l'Rna ha invece il compito di trarre queste informazioni e formare le varie proteine. Tuttavia si pensa che all'epoca della nascita della vita non fosse il Dna bensì l'Rna il portatore del codice genetico, e che lo stesso Rna costituisse l'entità che esprime le informazioni. Nel rigido ambiente che c'era in origine sulla Terra, si suppone che esistessero varie sostanze organiche come amminoacidi e nucleotidi e che il graduale prolungamento di una catena di mononucleotidi collegati formò l'Rna. Anche gli amminoacidi esistenti sulla Terra si legarono, formando catene contenenti da 20 a 40 amminoacidi. Da queste catene (peptidi) si formarono spontaneamente delle strutture e comparvero le proteine. Successivamente, iniziò un lavoro di collaborazione tra proteine e Rna e si avviò il processo per la fabbricazione delle proteine, comandato dall'Rna. A quell'epoca l'Rna e le proteine erano avvolti in una membrana di grassi: nacquero così le prime cellule con nucleo primitivo (procariote). In seguito, dall'Rna si originò il Dna, molecola chimicamente più stabile, e la vita si basò sempre più sul Dna. Si è quindi verificata una specializzazione di ruoli, per cui il Dna è il portatore del codice genetico e l'Rna funge da intermediario. Le cellule con nucleo vero e proprio, che racchiudono il Dna al loro interno (eucariote), comparvero circa due miliardi di anni dopo le cellule procariote. Quasi tutte le cellule con nucleo contengono piccoli organi detti mitocondri, che producono energia chimica con il processo di combustione delle sostanze organiche. Anch'essi hanno un proprio Dna, detto Dna mitocondriale. La comparsa di questi sistemi di trasformazione dell'energia, e del nucleo vero e proprio, sono considerati i fattori-chiave per l'evoluzione. Gli esseri che avevano acquisito i mitocondri cominciarono a evolversi differenziandosi in vari organismi, e si diffusero generando una gran quantità di organismi viventi. Dagli esseri nati in seguito a questo fenomeno, definito "il Big Bang della vita", sono derivati i batteri, gli animali e le piante verdi, che prosperano attualmente sulla Terra. Gli esperimenti della natura Gli organismi unicellulari che presentano una organizzazione rudimentale sono chiamati procarioti. La maggior parte degli attuali microrganismi batterici che vivono sulla Terra e sono patogeni per l'uomo si riconoscono in questa struttura cellulare di tipo procariotico (assenza di un vero nucleo, assenza di mitocondri eccetera). Il primo organismo unicellulare comparso sulla Terra e trovato come fossile in rocce di circa 3,5 miliardi di anni, aveva una struttura di tipo procariotico simile a quella degli attuali batteri. Probabilmente è stata la simbiosi dei procarioti con altri esseri a promuovere l'evoluzione e la diversificazione degli organismi. Gli organismi più evoluti (eucarioti) sarebbero derivati dall'inglobamento di una cellula procariotica da parte di una cellula più grande. Questo processo di diversificazione generò i più svariati esseri viventi. I nuovi organismi furono man mano originati dalla combinazione di genomi di esseri differenti: delle "chimere" che ricordano i mostri mitologici nati unendo parti di diversi animali. Con un processo di evoluzione, la discendenza di queste primitive organizzazioni si è diffusa adattandosi a vari ambienti. Comparvero quindi gli organismi pluricellulari, che non sono solo esseri in cui le cellule si sono semplicemente raggruppate, ma sono costituiti da un'aggregazione organica di tessuti o di cellule differenziate. Dalla combinazione di varie cellule divenne possibile creare diversi organismi. La struttura genetica per la produzione di varie cellule si basava sulla duplicazione di copie di geni già esistenti. Negli organismi pluricellulari si produce, attraverso la duplicazione, una grande quantità di geni simili e ciascuno lavora in cellule e tessuti diversi. Nel periodo Cambriano, circa 530 milioni di anni fa, con la duplicazione dei geni vennero prodotti altri geni che comparvero in ciascuna cellula e tessuto. Gli esseri viventi del periodo Cambriano, piuttosto che il risultato di una selezione naturale dovuta al graduale aumento dell'adattabilità, possono essere considerati il risultato di esperimenti relativamente liberi dalla selezione naturale. Poiché gran parte dell'ambiente ecologico era ancora vuoto, non ci fu molta competizione e quasi tutti i prodotti degli esperimenti furono accettati nel mondo naturale. Solo più tardi la competizione per la vita produsse quella differenziazione tra esseri viventi nella quale viviamo ancora oggi. Buone e cattive mutazioni L'evoluzione dei geni costituisce la forza principale che ha portato all'evoluzione delle varie specie di esseri viventi esistenti sulla Terra. Ma i geni in base a quale principio si sono evoluti? Qual è il meccanismo che ha causato la nascita di nuovi geni? L'evoluzione di questi in che modo è collegata a quella delle specie di esseri viventi? Le ricerche sul genoma possono rispondere a queste domande. Il codice genetico, con la replicazione del Dna, viene copiato e trasmesso correttamente dai genitori ai figli e permette la continuazione della vita. La replicazione del Dna avviene in modo estremamente preciso, ma c'è sempre la probabilità di un errore e di una sostituzione delle basi. Nella maggior parte dei casi, i cambiamenti del codice genetico derivanti dagli errori che si verificano al momento della riproduzione non danneggiano le funzioni dei geni. Tuttavia, se ciò accade le mutazioni hanno gravi effetti negativi sugli organismi, fino all'estinzione. Ci sono vari tipi di mutazioni, dai casi più semplici, in cui la base di una proteina cambia posto, a quelli più complessi in cui le parti di sequenze di basi molto simili, che si trovano in un punto lontano della lunga catena del Dna, cambiano reciprocamente posto. Quasi tutte le mutazioni sono dannose per la vita, ma ci sono anche quelle positive, collegate alla produzione di nuove utili proteine o all'acquisizione di nuove funzioni. Se le nuove funzioni sono vantaggiose per quella specie di esseri viventi, i geni che hanno subìto cambiamenti si diffondono all'interno della specie come nuovi geni. Guardando la struttura dei geni e del genoma degli esseri viventi, si comprende che sono molti i gruppi di geni che possono essere considerati un'evoluzione prodotta dalla duplicazione genetica. Inoltre, da un'analisi dettagliata dell'intera struttura del genoma dei lieviti, sono state trovate tracce che indicano che il genoma di questi organismi si è evoluto attraverso fenomeni di duplicazione. Tra gli esseri viventi ci sono individui che hanno delle sequenze di basi che poco alla volta cambiano a causa delle mutazioni. Gli individui che maggiormente si adattano all'ambiente in cui vivono hanno la possibilità di lasciare un maggior numero di discendenti rispetto agli altri. In questo modo, aumenta il numero di soggetti che hanno un Dna con caratteristiche utili a ogni diverso ambiente. Così gli esseri viventi si sono a mano a mano evoluti acquisendo caratteristiche adatte all'ambiente.