DNA: l’elica della vita

di Giovanni Pellegri

I protagonisti della storia della scienza degli ultimi 100 anni sono la fisica atomica e la genetica.
La prima ha regnato nei primi cinquant'anni, la seconda ha saputo sfruttare i risultati della nuova fisica per divenire la regina indiscussa delle scienze di fine secolo.
Il passaggio di potere è avvenuto nel 1953 quando James Watson e Francis Crick, basandosi sui lavori di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, determinarono la struttura del DNA.
 

Tutto ebbe inizio nel 1860, nell’orticello di un monaco agostiniano. Il suo nome era Gregor Mendel, monaco fedele alle regole di Sant'Agostino ma anche attento a quelle della natura, nel suo orto, infatti, germogliò la genetica. Mendel passò molte stagioni a studiare le piante di pisello e si accorse che alcuni caratteri della pianta o del frutto erano ereditati secondo delle regole precise. Quando pubblicò i suoi risultati nel 1866 nessuno conosceva le virtù del DNA e fu quindi impossibile collegare le sue osservazioni a questa molecola. I suoi brillanti lavori furono ignorati per quarant'anni.
All'inizio del novecento era chiaro che gli esseri viventi sottostavano ad una legge ereditaria dei caratteri, ma nessuno sapeva indicare quale molecola era portatrice dell'informazione genetica. Il DNA, l'acido desossiribonucleico, era già conosciuto da parecchi anni come una sostanza priva di qualsiasi interesse biologico. Fu scoperto nel 1869, tre anni dopo le pubblicazioni di Mendel, da un chimico svizzero, Johannes Friderich Miescher che lo estrasse a partire da spermatozoi di salmone pescati nel fiume Reno che scorreva non lontano dal suo laboratorio. La nuova sostanza era un liquido viscoso dalla composizione chimica molto semplice: conteneva uno zucchero, dell'acido fosforico e quattro composti organici chiamati basi. Ci si accorse presto che questa sostanza era localizzata nei nuclei delle cellule e formava lunghi filamenti chiamati cromosomi. La sorpresa arrivò nel 1903 quando Sutton e Boveri scoprirono che il comportamento dei cromosomi durante le divisioni cellulari soddisfacevano pienamente le esigenze mendeliane. Da quel momento furono riscoperte le regole di Mendel e i cromosomi assunsero il ruolo di veicoli dell'ereditarietà biologica.

Il DNA protagonista della vita
Un dilemma si presentava però ai ricercatori: come poteva una semplice molecola, monotona e priva di una complessità biochimica, essere il supporto biologico dell'informazione genetica? Si sapeva che i cromosomi erano anche avvolti da proteine, e per molti anni si pensò che fossero proprio le proteine e non il DNA a portare l'informazione genetica. Al DNA si attribuì un semplice ruolo di supporto fisico per le proteine. Anche se non esaustivo, questo modello venne utilizzato per alcuni decenni, fino quando, nel 1944, tre ricercatori, O.T. Avery, C.M. McLeod e M. McCarty, dimostrarono chiaramente che il principio biochimico portatore dell'informazione genetica non erano le proteine, ma il DNA. Una monotona successione di elementi biochimici, nascondeva l'enigma della vita di tutti gli esseri viventi. Per svelarne il segreto bisognava penetrare nell'intimo delle cellule e imparare a leggere la lingua della natura.

Il segreto svelato dai raggi X
La strada fu spianata dalla famiglia Bragg, padre e figlio, inventori della cristallografia con i raggi X, un metodo che permette di analizzare l'architettura delle molecole, sfruttando le immagini di diffrazione che si creano quando i raggi X attraversano atomi organizzati in strutture ordinate. Rosalind Franklin e Maurice Wilkins applicarono proprio questo metodo per tentare di capire la struttura del DNA. Ottennero alcune immagini e proposero un modello incompleto della struttura del DNA. Il rompicapo era prossimo alla soluzione: si conoscevano la composizione chimica del DNA e il suo ruolo fondamentale nell'ereditarietà, e grazie a Wilkins e Franklin c’erano anche degli indizi sulla sua struttura tridimensionale. A questo punto entrarono in scena due giovani ricercatori, James D. Watson un americano di 25 anni e Fancis Crick, un inglese di 37 anni. Analizzando le immagini ottenute con i raggi X capirono l’incredibile struttura del DNA: una successione di miliardi di basi organizzate in due filamenti avvolti l’uno sull’altro a forma di doppia elica. Una struttura paragonabile ad una scala a pioli flessibile, attorcigliata su se stessa. Questo modello nascondeva un'elegante fonte di complessità e dava la possibilità alla natura di scrivere in codice i piani di costruzione di ogni essere vivente. Per la loro scoperta Watson e Crick ottennero nel 1962, insieme con Wilkins, il premio Nobel per la medicina. Rosalind Franklin morì prematuramente di una leucemia e non ebbe la medesima gloria terrestre. Così dicono le biografie. In verità un riconoscimento maggiore ai lavori della Franklin poteva essere assegnato. Infatti fu proprio l'esperienza acquisita da Rosalind che permise di ottenere le fotografie ad alta definizione di singoli filamenti di DNA e immagini per diffrazione dei raggi X. Grazie ai suoli lavori si definì le caratteristiche strutturali della molecola del DNA: la forma ad elica e l’esistenza di conformazioni diverse (forma A e B). Il modello della struttura del DNA, con le prove sperimentali messe in atto da Rosalind Franklin fu in seguito elaborato da Crick e Watson. Negli articoli pubblicati da Crick e Watson sulla rivista "Nature" non comparve mai il riconoscimento dell'apporto dato alla ricerca dalla scienziata. La versione "ufficiale" venne ripresa anche dagli Annali scientifici per cui divenne opinione comune che il modello del DNA fosse stato elaborato senza l'utilizzo dei dati di Rosalind Franklin. Nel 1962 James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ottennero il Premio Nobel per la Medicina per la scoperta della struttura del DNA, senza riconoscere il contributo di Rosalind Franklin neppure durante il loro discorso di ringraziamento. La nuova genetica era nata, escludendo ancora una volta le donne dalla scienza.

Riquadro:

Che cos'è il DNA?
Per capire il significato biologico del DNA, mettetevi al pianoforte. Avete a disposizione sette note musicali e, anche se non siete pianisti, provate a suonarle liberamente. Il risultato, salve rarissime eccezioni, farà inorridire i vicini di casa, abbaiare il vostro cane e se avete un po’ di spirito critico, capite che è meglio lasciare stare. Eppure i tasti e le note sono gli stessi che utilizzano i grandi musicisti per comporre sublimi sinfonie. Anche la natura ha composto concerti e sinfonie, utilizzando solo quattro note musicali: sono le quattro basi contenute nel DNA, indicate con le lettere A, C, G e T, abbreviazioni di molecole biochimiche dai nomi più complessi (A = adenina; C = citosina; G = guanina; T = timina) . Le composizioni hanno nomi noti a tutti: l'operetta "batterio" per esempio è scritta affiancando con un ordine preciso 4 milioni di basi, la sonata "lievito" richiede 12 milioni di basi, ma l'opera più mirabile è la sinfonia "uomo", ottenuta con una successione di 3 miliardi di A, C, G e T che si susseguono senza stonature. La probabilità che una sinfonia di queste dimensioni nasca per puro caso è praticamente nulla.
Come una sola stonatura può rovinare la bellezza di una sinfonia di Beethoven, una sola base messa al posto di un'altra nel DNA può condurre a conseguenze gravissime. Le stonature della natura si chiamano mutazioni genetiche e sono responsabili di migliaia di malattie.
Quando ventidue anni fa si mise a punto la tecnica che permette di conoscere la sequenza del DNA, ovvero in che modo si susseguono le quattro basi lungo il filamento della molecola, alcuni ricercatori cominciarono a valutare la possibilità di determinare la sequenza dei 3 miliardi di monomeri esistenti nel DNA umano. Il progetto prese avvio proprio in Svizzera nel 1988 quando un gruppo di scienziati decise di fondare l’organizzazione HUGO (Human Genome Organization). Da allora la determinazione della sequenza del DNA umano prosegue a ritmo frenetico. Tra pochi anni la "sinfonia uomo" sarà svelata e per essere trascritta richiederà ben 10’000 fascicoli di 100 pagine ciascuno, con 3000 lettere per pagina! Questa grandiosa sinfonia, che per essere archiviata richiederebbe alcune stanze di ampie dimensioni, è interpretata ogni giorno all’interno delle nostre cellule nell'esiguo spazio del nucleo, una sfera di soli 0,003 mm di diametro! Sfido chiunque ad infilarci un pianoforte.

Il DNA ambasciatore dell'umanità
Quando la NASA scelse i simboli dell'umanità da inviare con le navicelle spaziali Voyager oltre il Sistema Solare, selezionò oltre a dei concerti di Bach, Beethoven e Stravinsky, la struttura biochimica a doppia elica di Watson e Crick. Il messaggio era chiaro: tutto il fenomeno vita riassunto nel DNA, re delle molecole, emblema dell’intera umanità e simbolo del nostro progresso. La dimensione microscopica del DNA, condensato nei 23 cromosomi, non permette di cogliere immediatamente l’ampiezza delle informazioni scritte su questa molecola. Ogni cellula delle 10’000 miliardi che compongono il nostro corpo contiene lo stesso DNA: 2 metri di molecola attorcigliata e compressa nell'esiguo spazio del nucleo cellulare. Messo in fila otterremmo 120 miliardi di Km di DNA per persona.
Come questa meraviglia della natura sia apparsa sul nostro pianeta nessuno lo sa, la sua stupefacente complessità ha fatto evocare ad alcuni origini divine. Per altri, invece, il DNA è il frutto di fortuite combinazioni molecolari oppure il regalo di una meteorite piovuta dal cielo. Oggi, dopo tre milioni e mezzo di anni dalla sua comparsa, l’uomo ha imparato non solo a leggere il mistero della vita biologica, ma anche a manipolarlo a suo piacimento, con i rischi che questo comporta.