Scientifico!

In questo primo articolo di questa rubrica vorrei descrivervi il rapporto tra l’acqua e il nostro DNA attraverso tre punti:

1. Una breve introduzione su che cos’è il DNA ;
2. La scoperta del DNA;
3. Il rapporto tra il nostro DNA e l’acqua.

1 Che cos’è il DNA?

Il DNA o meglio l’acido desossiribonucleico (dall’inglese DeoxyriboNucleic Acid) è l’acido presente e che “comanda” le nostre cellule che contiene le nostre informazioni genetiche necessarie a compiere la biosintesi delle proteine e del RNA (acido ribonucleico). Il DNA appartiene alla categoria degli acidi nucleici , macromolecole polimeriche con una lieve reazione acida che trasportano e che contengono le informazioni di tipo generico. Esistono due acidi nucleici negli esseri  ,  DNA appunto e RNA.

Come già detto prima il DNA è un polimero che , rispetto al RNA  formato da un’elica, ha una struttura a doppia elica. I nucleotidi del DNA sono costituiti da tre componenti principali , da un gruppo fosfato (un acido formato dall’anione*¹ fosfato), dal deossiribosio ( uno zucchero pentoso) e da una base azotata (composta da  adenina guanina ,citosina e timina) , collegata al deossiribosio attraverso un legame glicosidico (un legame covalente tra uno zucchero e un atomo nucleofilo). La disposizione in sequenza dei nucleotidi forma l’informazione genetica che viene “tradotta” negli amminoacidi (polipeptide) grazie al codice genetico. La polipeptide in seguito produrrà le proteine grazie al processo di sintesi proteica che avviene in presenza di una molecola di RNA, generata grazie al processo di trascrizione. Per riprodursi le cellule utilizzano il processo di mitosi (o divisione cellulare)  dove la cellula madre si divide in due figlie identiche alla cellula di partenza. Nelle cellule degli eucarioti il nucleo si concentra all’interno del nucleo della cellula dove è formato da cromosomi mentre negli altri esseri viventi, come nel caso dei batteri, che sono privi di nucleo , il DNA può essere presente in due modi, il primo disposto in cromosomi e il secondo senza cromosomi. Nella seconda tipologia il DNA è presente sotto forma di una molecola di DNA a doppio catena (il caso dei batteri) o di genomi contenenti parti di DNA o di RNA (il caso dei virus). All’interno dei cromosomi ( che nel corpo umano sono 46) sono presenti le proteine che formano la cromatina (la sostanza che forma il nucleo cellulare) , gli istoni , le condensine e le coesine le quali avvolgono il DNA e lo organizzano in strutture ordinate. Ciò aiuta il “dialogo” tra le proteine responsabili della trascrizione e il codice genetico, rendendo così più facile controllare la trascrizione genica.

2. Quando fu scoperto il DNA?

Nel 1869 il biochimico svizzero Friedrich Miescher (13/08/1844-26/08/1895)   isolò per la prima volta il DNA. Miescher osservando il pus contenuto in alcune bende chirurgiche trovò una sostanza microscopica che chiamò nucleina ( questo è dovuto al fatto che si trovava nel nucleo). Tuttavia i primi studi sul DNA iniziarono solo 50 anni dopo la sua scoperta, quando nel 1919 il biochimico lituano Phoebus Levene (25/02/1869-6/09/1940) scoprì da che cosa era forma la struttura del nucleotide (base azotata, zucchero pentoso e fosfato). Levene suggerì inoltre che il DNA fosse formato da un corto filamento di nucleotidi incatenati tra loro dai fosfati con le basi disposte in maniera regolare. Nel 1928 , nove anni dopo, Frederick Griffith (1879-1941) scoprì un principio trasformante del DNA facendo il seguente esperimento: prese dei batteri morti nella variante liscia di pneumococco e li gettò in un vitro contenenti i batteri vivi della medesima specie nella forma ruvida. Esso si accorse che una parte dei batteri vivi si era trasformata nella variante di quelli morti. Griffith non riuscì a capire cosa avesse provocato ciò e la risposta arrivò nel 1943 ma ne parlerò più tardi. Nel 1937 venne pubblicato uno studio fatto dal fisico William Astbury  (28/02/1898- 4/06/1961) nel quale , attraverso la diffrazione a raggi X (una delle tecniche più utilizzata per studiare i solidi a carattere cristallino che utilizza due  princìpi principali della radiazione elettromagnetica, l’assorbimento, durante il quale la radiazione cede la sua energia al materiale facendone aumentare la temperatura e lo scattering durante il quale la radiazione viene diffusa dalla materia mentre le onde elettromagnetiche a essa associate cambiano la loro direzione di propagazione ) , dimostrò che il DNA ha una struttura regolarissima. Nel 1943,come accennato prima, Oswald Theodore Avery ,Colin McLeod e Maclyn McCarty riuscirono a dimostrare che il DNA è il fattore del principio trasformante dei batteri di pneumococco . Nel 1953 Alfred Hershey e Martha Chase , grazie a un esperimento, hanno provato  l’ereditarietà del DNA. Nel 1944 il fisico quantistico austriaco Erwin Schrödinger  (12/08/1887-4/01/1961) asserì alle ricerche fatte da altri scienziati dell’epoca che il DNA era formato da un’ unica molecola non ripetitiva abbastanza stabile che poteva contenere le informazioni genetiche che chiamò cristallo aperiodico. Schrödinger affermò questo perché in fisica quantistica le molecole formate da pochi atomi hanno un comportamento molto disordinato. Ritornando al

1953, nello stesso anno, Rosalind Franklin , James Watson e Francis Crick lavorarono ancora , come aveva fatto William Astbury , sulla diffrazione a raggi X con il DNA e riuscirono per la prima volta a creare un modello che rappresentava accuratamente la struttura del DNA ( il modello fu però disegnato e colorato da Odile Speed, moglie di Crick). Il modello e alcuni studi e ricerche da loro svolti furono inseriti in cinque articoli nello stesso volume della rivista settimanale scientifica di Nature . Nel 1957 Crick propose la soluzione al “dogma centrale della biologia molecolare” trovando le relazioni che avvengono tra RNA , DNA e alcune proteine. Ciò portò Francis Crick al Premio Nobel. Lo scienziato proseguì gli studi e l’anno seguente dimostrò con l’esperimento di Meselson-Stahl *² la forma a doppia elica e la composizione del DNA. Crick dimostrò poi, in un altro lavoro , che il  codice genetico è basato su tre basi non allineate permettendo così a Marshall Warren Nirenberg , Har Gobind Khoarana e Robert Holley di decifrarlo più facilmente. Nel 1961  Niremberg e Severo Ochoa scoprirono che ogni specifico amminoacido è codificato da ogni tripletta di nucleotidi.

*¹ : anione =  Con il termine anione si intende qualsiasi struttura chimica la quale ha acquisito almeno un elettrone , caricandosi negativamente  e diventato uno ione negativo.

*²: esperimento Meselson-Stahl = L’esperimento di Meselson-Stahl è un esperimento creato nel 1958 da Matthew Meselson e da Franklin Stahl per riuscire  a dimostrare la forma e la struttura del DNA. Meselson e Stahl  coltivarono dei batteri di

Escherichia coli (i batteri causa di alcune patologie come uretrite, meningite e sepsi) in un vitro ricco di ¹⁵N, un isotopo pesante dell’azoto. Questi batteri mangiando questo isotopo “appesantirono” il loro DNA. Dopo un certo periodo i due scienziati prelevarono alcuni batteri ed estrassero il loro DNA. Successivamente il DNA “pesante” venne immerso in una provetta contenente una soluzione molto concentrata di cloruro di cesio e il tutto fu centrifugato . Con questo procedimento si creano delle zone con un indice di densità differente dove poi il DNA si collocherà a seconda della sua densità. L’acido desossiribonucleico  diventa visibile attraverso l’immissione di alcune sostanze nel composto che aggregandosi con il DNA lo rendono visibile alla luce ultravioletta. Il DNA si era concentrato sul fondo della provetta. Gli scienziati spostarono poi i batteri in un altro vitro dove presente al posto di ¹⁵N un altro isotopo dell’azoto, ¹⁴N. Passati 20 minuti , quando i batteri si erano riprodotti, Meselson e Stahl ripeterono l’operazione e si accorsero che il DNA prelevato era più “leggero” di quello presente. I due si interrogarono perché non si crearono 2 bande, una uguale a quella ottenuta in precedenza e una meno densa. Capirono che durante la riproduzione un filamento di DNA “pesante” si era unito a un filamento di DNA “leggero”. Ripetono l’operazione una terza volta con altri batteri derivati da quelli di prima e questa volta si crearono due tacche , una sulla metà della provetta  e una in cima alla provetta. Man mano che i batteri si riproducevano la banda in cima si inspessiva mentre quella  intermedia continuava a conservarsi.

3 . Quale rapporto ha il nostro DNA e l’acqua?

In questi ultimi anni sono stati effettuati molti studi sulla relazione che c’è tra il DNA e l’acqua. Pochi anni fa è stato pubblicato uno studio su PNAS (Proceedings of the National Academy of Science) dove i ricercatori autori di esso affermano che le basi azotate sono idrofobe mentre l’interno  e l’ambiente che lo circonda è idrofilo . Le basi azotate perciò cercano di “scacciare” l’acqua che le circonda e per fare ciò si raggruppano per minimizzare la superficie . Bobo Feng , ricercatore dell’università svedese Chalmers Universtity of Technology e uno degli autori dello studio ,afferma che le cellule cercano di proteggere il DNA, cercando di non esporlo a un ambiente idrofobo per cercare di evitare una contaminazione con molecole pericolose per esso.  La cellula , come riportato da questo studio tengono per la maggior parte del tempo il DNA in un ambiente idrofilo, dentro a una soluzione acquosa, tenendolo “ arrotolato” su se stesso. Però, quando deve usarlo  e ripararlo  , lo inserisce in un ambiente idrofobo , in modo da aprirlo. 

Il processo di riparazione del DNA è poi molto curioso perché , durante la fase di copiatura del DNA le basi si separano e degli enzimi copiano l’informazione genetica per poi riprodurla, solo le parti danneggiate sono messe in un ambiente idrofobo mentre le parti sane sono di nuova immerse nella soluzione acquosa. Questo ambiente è creato grazie a una proteina catalitica, essenziale per questi processi. Gli studiosi hanno si sono anche chiesti fino a che tipologia di ambiente idrofobo il DNA possa resistere e hanno fatto un esperimento proprio per capire questo. Hanno iniziato mettendo il DNA in un ambiente idrofilo e poi hanno iniziato a renderlo idrofobo aggiungendo glicole polietilenico (C2nH4n+2On+1) fino a quando il DNA ha iniziato a separarsi e a disintegrarsi.  

Gli scienziati grazie a queste scoperte stanno cercando di trovare le proteine che riparano DNA per creare dei nuovi antibiotici che riescano a combattere i batteri antibiotico-resistenti  e dei farmaci antitumorali più efficaci. Nell’uomo questa proteina è già stata individuata ed è la proteina Rad51 mentre alcuni utilizzano la la proteina RecA. Nell’uomo la proteina  Rad51 può fissare alcuni geni mutati che potranno dare origine a dei tumori. Quindi il ruolo dell’acqua nello studio del DNA è importantissimo.

Francesco Savio 1ASA