La storia del DNA

La scoperta della struttura del DNA è stata riportata 50 anni fa questo mese. Ma la saga è iniziata molti anni prima, dice Susan Aldridge

Il 25 aprile 1953, un articolo apparso su Nature che avrebbe trasformato le scienze della vita – dalla biochimica e l’agricoltura, alla medicina e la genetica. James Watson e Francis Crick, allora all’Università di Cambridge, riportarono la scoperta della struttura del DNA (acido desossiribonucleico) – la molecola di cui sono fatti i geni.

Crick e Watson usarono la costruzione di modelli per rivelare l’ormai famosa doppia elica del DNA, ma i dati cristallografici a raggi X di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins al King’s College di Londra furono fondamentali per la scoperta. La scoperta doveva anche molto ai progressi nelle tecniche biochimiche, nella microscopia, nell’analisi chimica e nelle teorie dei legami chimici che si erano sviluppate dalla metà del XIX secolo. Il vero significato della struttura del DNA è stato sottolineato più o meno nello stesso periodo dalla risoluzione finale di una controversia decennale sulla questione se la “molecola della vita” fosse il DNA o le proteine.

La saga del DNA iniziò nel 1869, quando il biochimico svizzero Friedrich Miescher isolò una nuova sostanza dai nuclei dei globuli bianchi. I ricercatori erano da poco consapevoli che le cellule erano l’unità di base della vita e Miescher era interessato ai loro componenti chimici. Ogni mattina si recava alla clinica locale per ritirare le bende sporche, perché nei giorni precedenti agli antisettici queste erano imbevute di pus – una buona fonte di globuli bianchi con i loro grandi nuclei. Aggiungendo alcali i nuclei delle cellule si aprivano, rilasciando il loro contenuto, da cui Miescher estrasse il DNA (che chiamò nucleina).

L’analisi di questa nucleina mostrò che era un acido, contenente fosforo, quindi non rientrava in nessuno dei gruppi conosciuti di molecole biologiche, come carboidrati e proteine. Miescher calcolò la sua formula come C29H49O22N9P3 – una grossolana sottostima, che riflette il fatto che il DNA è una molecola lunga e fragile che si frammenta facilmente. Miescher deve aver usato uno dei frammenti per la determinazione della formula. La nucleina fu ribattezzata acido nucleico e, nonostante la sua novità chimica, il suo significato biologico non fu pienamente realizzato per molti altri decenni.

Nel frattempo, grazie agli sviluppi della microscopia, la cellula continuava a svelare i suoi segreti. Nel 1879 il biologo tedesco Walther Flemming scoprì minuscole strutture filiformi chiamate cromatina (più tardi conosciute come cromosomi) all’interno del nucleo – così chiamate perché assorbivano facilmente il colore dei nuovi coloranti usati per rivelare i componenti cellulari. Gli studi sulla divisione cellulare dovevano rivelare il ruolo chiave giocato dai cromosomi nell’eredità – come si raddoppiano prima che la cellula si divida, e poi si dividono in due serie, portando una nuova copia in ogni cellula “figlia”.

Ulteriori analisi suggerirono che i cromosomi contenevano DNA, il che portò un altro ricercatore tedesco, Oskar Hertwig, a dichiarare che “la nucleina è la sostanza responsabile … della trasmissione delle caratteristiche ereditarie”. Non tutti erano d’accordo – Miescher per esempio. I cromosomi contenevano anche proteine, e i biochimici stavano appena iniziando ad apprezzare quali grandi e complesse molecole fossero le proteine. La fragilità del DNA doveva nascondere la sua complessità sottostante per molti anni ancora.

Ironicamente, Miescher fu forse il primo a proporre l’idea di un codice chimico che trasmetteva informazioni biologiche da una cellula all’altra, ma lui, come molti altri dopo di lui, credeva che solo le proteine fossero in grado di trasportare tale codice.

Nel 1900, si sapeva che gli elementi di base del DNA erano il fosfato, uno zucchero (poi dimostrato essere il desossiribosio) e quattro basi eterocicliche – due delle quali erano purine mentre le altre due erano pirimidine.

Fu Phoebus Levene, del Rockefeller Institute di New York, ed ex studente del chimico e compositore russo Alexander Borodin, a dimostrare che i componenti del DNA erano collegati nell’ordine fosfato-zucchero-base. Chiamò ciascuna di queste unità un nucleotide, sostenendo che la molecola di DNA consisteva in una stringa di unità nucleotidiche collegate tra loro attraverso i gruppi fosfato, che sono la ‘spina dorsale’ della molecola.

Ma nessuno ha apprezzato la straordinaria lunghezza della molecola di DNA fino al 20° secolo. Oggi sappiamo che il DNA di una cellula umana, se posato da un capo all’altro, costituirebbe una molecola di circa 1 m di lunghezza. Anche un organismo semplice come il batterio E. coli ha una molecola di DNA lunga poco più di 1 mm. Miescher non se ne era reso conto, naturalmente, e nemmeno Levene, che insisteva sul fatto che il DNA fosse una molecola relativamente piccola, probabilmente lunga circa 10 nucleotidi.

Levene era anche convinto che le quantità delle quattro basi fossero le stesse in tutte le molecole di DNA, indipendentemente dalla loro origine. Così, anche quando i ricercatori svedesi Torbj?rn Caspersson e Einar Hammersten dimostrarono, negli anni ’30, che il DNA era un polimero, la maggior parte delle persone continuò a credere nell'”ipotesi dei tetranucleotidi” di Levene. Anche se il DNA conteneva milioni di nucleotidi, si pensava che fossero disposti in modo monotono e prevedibile e che non potessero avere un contenuto informativo significativo. Il contemporaneo di Levene, il grande chimico tedesco Emil Fischer, aveva dimostrato che le proteine sono fatte di aminoacidi, collegati insieme in diverse sequenze. Sembrava sempre più che le proteine portassero il codice genetico, mentre il DNA giocava un ruolo di supporto nei cromosomi.

Una svolta venne da Oswald Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty, un team di microbiologi medici del Rockefeller Institute di New York. Stavano cercando di identificare la natura del “principio di trasformazione” – una sostanza scoperta dal microbiologo inglese Fred Griffith nel 1928. Griffith aveva sperimentato con due specie di pneumococco, il batterio che causa la polmonite (molto temuto nei giorni prima degli antibiotici).

Una forma – conosciuta come la forma liscia dal suo aspetto quando viene coltivata in piastre di Petri – era nota per essere patogena, mentre la seconda, ‘ruvida’, era innocua. Con sua sorpresa, Griffith scoprì che mescolare batteri ruvidi vivi con pneumococchi lisci uccisi poteva trasformare gli pneumococchi ruvidi in una forma liscia virulenta. Evidentemente qualche sostanza – il principio di trasformazione (i geni, in altre parole) – era passato dai batteri lisci a quelli ruvidi. Usando enzimi che rompevano componenti cellulari specifici, Avery e il suo team hanno dimostrato con un processo di eliminazione che il principio di trasformazione era il DNA, non la proteina.

Anche i fisici hanno contribuito a questo dibattito – per esempio, Erwin Schrödinger ha avanzato il concetto di “cristallo aperiodico” nel suo influente libro Che cos’è la vita? Cristalli semplici come il cloruro di sodio non possono trasportare informazioni genetiche perché i loro ioni sono disposti in un modello periodico. Ciò che Schrödinger proponeva era che il “progetto” della vita si trovasse in un composto i cui componenti erano disposti in una lunga sequenza irregolare, che portava informazioni sotto forma di un codice genetico, incorporato nella sua struttura chimica. Le proteine erano state il candidato ovvio per il cristallo aperiodico, con la sequenza di aminoacidi che forniva il codice. Ora, con le scoperte di Avery, i riflettori sono caduti sul DNA come scelta alternativa per il materiale genetico.

La ricerca per determinare la struttura del DNA divenne ancora più urgente (anche se la conferma definitiva del suo ruolo centrale doveva ancora arrivare dagli esperimenti condotti da Alfred Hershey e Martha Chase negli Stati Uniti nei primi anni ’50). Il chimico austriaco Erwin Chargaff – per esempio – fu profondamente colpito dal lavoro di Avery. Scrisse: “Ho visto davanti a me, in contorni scuri, l’inizio di una grammatica della biologia. Avery ci ha dato il primo testo di un nuovo linguaggio, o piuttosto ci ha mostrato dove cercarlo. Ho deciso di cercare questo testo”. Chargaff fu il pioniere della cromatografia su carta degli acidi nucleici, utilizzandola per determinare quanto di ciascuno dei nucleotidi componenti era contenuto in un campione di DNA. Ha rapidamente demolito l’ipotesi del tetranucleotide di Levene. Ogni specie differiva nella quantità di A, C, G e T – ma all’interno della specie, le proporzioni di ciascuno sono identiche, indipendentemente dal tessuto da cui viene estratto il DNA. Era proprio quello che ci si poteva aspettare per una molecola che è la firma biologica della specie.

Ancora più significativa fu l’ulteriore scoperta di Chargaff che la proporzione di A in qualsiasi molecola di DNA era sempre uguale alla proporzione di T e, allo stesso modo, la quantità di G e C corrispondeva sempre – una regola che divenne nota come rapporti di Chargaff. Anche se Chargaff stesso sembra aver fatto poco uso diretto delle sue scoperte, l’idea dell’accoppiamento delle basi (A con T, C con G) doveva essere un passo fondamentale per mettere insieme la struttura tridimensionale del DNA.

La fase finale della risoluzione del puzzle della struttura del DNA si basava sulla cristallografia a raggi X. L’uso dei raggi X per risolvere le strutture di grandi molecole biologiche iniziò con il lavoro di Dorothy Hodgkin su penicillina, lisosima e vitamina B12, e il lavoro di Max Perutz sull’emoglobina degli anni ’30. Nel 1938, William Astbury, uno studente di William Bragg (che, con il figlio Lawrence, aveva inventato la tecnica nel 1913) aveva immagini a raggi X del DNA, ma erano difficili da interpretare.

La fine degli anni ’40 vide tre gruppi separati lavorare intensamente sulla struttura del DNA. Al King’s College di Londra, Maurice Wilkins era incuriosito dalle lunghe fibre che il DNA forma quando viene tirato fuori da soluzioni acquose con una bacchetta di vetro, chiedendosi se questo significasse che c’era qualche regolarità nella sua struttura. Produsse altre immagini a raggi X, usando un’apparecchiatura di fortuna che è difficile da immaginare al giorno d’oggi. Nel 1951, Wilkins fu raggiunto da Rosalind Franklin, una chimica fisica britannica che aveva già una reputazione internazionale per il suo lavoro sulla cristallografia a raggi X dei carboni. Si mise a costruire un laboratorio dedicato ai raggi X al King’s e presto produsse le migliori immagini del DNA. Queste la portarono all’idea che forse la molecola di DNA era arrotolata in una forma elicoidale.

Linus Pauling, il chimico statunitense, autore di The nature of the chemical bond, cominciò a pensare in modo simile. Dopo tutto, Pauling aveva già scoperto motivi elicoidali nelle strutture delle proteine. Intorno a questo periodo, Francis Crick – con un background in matematica e fisica, e il più giovane James Watson, con esperienza nella biologia molecolare dei fagi (virus che infettano i batteri, poi utilizzati come strumento di laboratorio per gli studi genetici), unirono le loro forze al Cavendish Laboratory di Cambridge, intenti a decifrare la struttura del DNA, utilizzando un approccio di costruzione di modelli.

Hanno avuto l’idea che la struttura del DNA doveva permettere alla molecola di copiarsi durante la divisione cellulare, in modo che una replica esatta del suo codice – che, di nuovo, era incorporato nella struttura – potesse passare in ogni nuova cellula. Una visita di Chargaff al Cavendish nel 1952 spinse a pensare che forse la sequenza di basi poteva rappresentare i geni in un codice chimico. Nel frattempo, Pauling pubblicò un documento sulla struttura del DNA, ma conteneva un grave errore (mise i gruppi fosfato all’interno). L’entrata in gara di questo gigante scientifico spronò Crick e Watson a maggiori sforzi, mentre Wilkins e Franklin non andavano molto d’accordo e facevano pochi progressi con il DNA.

Un momento seminale arrivò quando Wilkins mostrò a Watson una delle foto di Franklin della cosiddetta forma B del DNA. Gli studi precedenti avevano usato la forma A, che contiene meno acqua e aveva portato a immagini difficili da analizzare. Questa foto, al contrario, era meravigliosamente semplice e sembrava indicare chiaramente una struttura elicoidale della molecola. Come dice Watson nel suo famoso libro di memorie: ‘Nell’istante in cui ho visto l’immagine, la mia bocca si è aperta e il mio cuore ha cominciato a correre’.

La costruzione del modello – usando piastre metalliche per i nucleotidi e aste per i legami tra di loro – ora cominciò sul serio. Ma Crick e Watson non sapevano se costruire la loro elica con i fosfati all’interno o all’esterno, e non erano sicuri di come incorporare le idee di Chargaff sull’accoppiamento delle basi.

L’indizio finale venne da un altro visitatore del Cavendish, il chimico americano Jerry Donohue, che fece notare come il legame a idrogeno permette alla A di legarsi alla T e alla C alla G. Questo permette una struttura a doppia elica per il DNA, dove i due filamenti hanno le basi all’interno, accoppiate, e i fosfati all’esterno.

La vera bellezza del modello costruito da Crick e Watson era che la struttura suggeriva immediatamente la funzione. Come hanno accennato, nel loro articolo su Nature: ‘Non ci è sfuggito che l’accoppiamento specifico che abbiamo postulato suggerisce un possibile meccanismo di copia del materiale genetico’.

La molecola del DNA è auto-replicante (come è stato dimostrato dagli esperimenti di qualche anno dopo) perché può srotolarsi in due singoli filamenti. Ogni base attira poi la sua base complementare, per legame a idrogeno, in modo che due nuove doppie eliche siano assemblate.

Franklin e Wilkins non si persero completamente il merito per la struttura del DNA; i loro articoli separati furono pubblicati uno dietro l’altro con quelli di Crick e Watson nello stesso numero di Nature. Crick, Watson e Wilkins hanno vinto il premio Nobel per il loro lavoro nel 1962 (Franklin è morto di cancro all’età di 37 anni nel 1958).

La scoperta della struttura del DNA fu l’inizio di una nuova era nella biologia, portando, nei due decenni successivi, alla decifrazione del codice genetico e alla realizzazione che il DNA dirige la sintesi delle proteine. Ci sono stati anche progressi tecnici, come il sequenziamento del DNA, l’ingegneria genetica e la clonazione dei geni. Più recentemente, le sequenze complete di molti organismi sono state risolte – incluso il genoma umano nel giugno 2000. I prossimi 50 anni della storia del DNA saranno tutti incentrati sulla realizzazione dei benefici pratici della scoperta di Crick e Watson per l’umanità – nell’industria, nella medicina, nel cibo e nell’agricoltura.

Fonte: Chemistry in Britain

Acknowledgements

Susan Aldridge

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