Ingegneria genetica
Ingegneria genetica
Insieme di tecniche utilizzate per modificare in modo predeterminato le caratteristiche ereditarie di un organismo, alterandone il materiale genetico. Tra i fini che si vogliono ottenere con queste procedure vi sono la sintesi da parte di batteri e virus di specifici composti, che questi microrganismi produrrebbero invece in quantità minori o non produrrebbero affatto. Con tecniche di ingegneria genetica si può anche indurre l'adattamento di una specie di microrganismi a condizioni di vita diverse da quelle selvatiche. Sulle tecniche di ingegneria genetica è basata la terapia genica, un promettente approccio sperimentale con il quale forse un giorno si riusciranno a curare alcune malattie genetiche e patologie come la sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS) o il cancro.
L'ingegneria genetica viene anche detta “tecnologia del DNA ricombinante”, poiché comporta la manipolazione dell'acido desossiribonucleico o DNA. Gli strumenti fondamentali per operare questo tipo di manipolazione sono i cosiddetti enzimi di restrizione, prodotti da varie specie di batteri; la loro azione consiste nel riconoscimento all'interno di una molecola di DNA di una sequenza specifica, sulla quale viene operato un taglio. In questo modo vengono generati frammenti di DNA, originari di specie diverse e contenenti geni o sequenze di particolare interesse, che possono essere uniti ad altre molecole di DNA tramite enzimi chiamati "ligasi". Pertanto, gli enzimi di restrizione e le ligasi permettono, con un procedimento di "taglia e incolla", di costruire molecole di DNA ricombinanti. Dal momento che a fini sperimentali è essenziale disporre di notevoli quantità dei frammenti di DNA d'interesse, per ottenere la loro replicazione in multipla copia è necessario inserirli con il metodo enzimatico del "taglia e incolla" nei cosiddetti "vettori", pezzi di DNA in grado di autoreplicarsi molto rapidamente all'interno di una cellula ospite.
La reazione a catena della polimerasi (PCR) è una procedura mediante la quale è possibile ottenere in tempi estremamente rapidi un gran numero di copie di un frammento di DNA, utilizzando un enzima specifico (polimerasi) e una miscela di nucleotidi liberi. Nella fase di denaturazione, la molecola di DNA viene riscaldata e scissa nei due filamenti complementari. Nella fase di annealing brevi sequenze di DNA sintetizzate chimicamente (primers), vengono aggiunte nella provetta di reazione, e, a una determinata temperatura, si legano in punti specifici di ciascun filamento di DNA. Nella fase di polimerizzazione, la polimerasi catalizza il legame dei primers con nucleotidi liberi; ciò avvia la progressiva formazione di un nuovo filamento di DNA complementare a quello originario.
La reazione a catena della polimerasi si basa sullo stesso meccanismo di duplicazione del DNA che si verifica all’interno delle cellule viventi. La struttura del DNA è formata da due filamenti tra loro complementari; durante il processo di duplicazione, i due filamenti si separano e un enzima specifico, denominato polimerasi, produce una copia di ciascuno, utilizzandolo come stampo. La polimerasi procede appaiando un nucleotide complementare a ogni nucleotide di un filamento; in tal modo si formano due catene di DNA identiche a quella iniziale. Normalmente, il processo si verifica in una cellula durante la mitosi, ossia durante il processo di divisione cellulare che porta alla formazione di due cellule figlie, geneticamente identiche alla madre. Per lo svolgimento della PCR, è necessaria la presenza dell’enzima polimerasi, di una riserva di nucleotidi liberi e di un breve filamento di nucleotidi, purificato in laboratorio, che ha la funzione di innescare la reazione e prende il nome di primer o iniziatore oligonucleotidico.
Sequenziamento del DNA, identificazione dell’esatta sequenza dei 3 miliardi di coppie di basi azotate che ne compongono la molecola e la mappatura, ovvero la determinazione della posizione occupata da ciascun gene rispetto agli altri.
Grazie a una procedura sperimentale messa a punto da Fred Sanger nel 1977, è oggi possibile leggere la sequenza lineare delle basi di un frammento di DNA. Il metodo viene oggi utilizzato anche da tutti i laboratori coinvolti nel Progetto Genoma Umano, che si pongono l'obiettivo di identificare tutti i geni presenti nel patrimonio genetico della nostra specie. Conoscendo la sequenza di basi del DNA, si può identificare ciascun gene come sequenza lineare di basi, che a sua volta indica, in base al codice genetico, la sequenza di amminoacidi della proteina corrispondente. In generale, è molto più facile ordinare le sequenze di basi del DNA che non quelle degli amminoacidi delle proteine; per questo motivo, di solito la sequenza amminoacidica di una proteina viene identificata indirettamente, a partire dalla sequenza del gene corrispondente. Quando si identifica la sequenza di un gene, che in alcuni individui è presente in una forma mutata e responsabile di una specifica malattia, dal confronto tra le sequenze del gene normale e del gene mutato è possibile individuare qual è la tripletta alterata.
Nel caso della clonazione genetica, gli elementi clonati sono in genere porzioni di DNA, ossia frammenti del patrimonio genetico di un organismo che devono essere riprodotti in gran numero per poter essere più facilmente studiati.
L’idea di base della clonazione genetica è quella di inserire il frammento genetico all’interno di cellule batteriche o di lievito che, replicandosi rapidamente in gran numero, permettono di conseguenza di ottenere molte copie del frammento stesso. Ciò si ottiene inserendo il frammento di DNA in un vettore, ossia in un agente, di solito un virus batteriofago, che a sua volta inocula il suo patrimonio genetico nella cellula ospite (il batterio o il lievito). In genere, i frammenti di DNA prima di essere inoculati nei vettori vengono suddivisi mediante specifici enzimi, detti enzimi di restrizione, che agiscono tagliando il filamento di acido nucleico ciascuno in un punto specifico (precisamente, in corrispondenza di una determinata sequenza di basi azotate). Ciascuna porzione di DNA viene dunque introdotta, mediante i vettori, in un diverso microrganismo ospite. L'insieme di tutti i frammenti di materiale genetico introdotti nell'ospite viene detto libreria genica. Attualmente, la procedura della clonazione genetica tende a essere sostituita da quella, assai più rapida, della reazione a catena della polimerasi, con la quale è possibile ottenere un gran numero di copie del frammento di DNA in esame, senza l’impiego di vettori o cellule ospiti.
Organismi transgenici
Organismi geneticamente modificati (OGM), ossia organismi caratterizzati da un patrimonio genetico (genoma) alterato rispetto a quello tipico della propria specie, per l’introduzione artificiale di uno o più geni provenienti da altri organismi.
Malattie genetiche
Malattie congenite su base ereditaria, ovvero causate da uno o più geni anomali trasmessi da genitore a figlio. Possono manifestarsi alla nascita o in epoca successiva. Sono anche indicate come malattie ereditarie.
