Dalle proteina al DNA: chi porta l'informazione genetica?

Introduzione

In uno scorso articolo abbiamo già visto come è stato possibile capire più nel dettaglio da cosa fosse composto un gene, dando però per scontato che l’informazione genetica risedesse nei cromosomi e più nello specifico nel DNA. A questo punto sarà forse scioccante sapere che una nozione cosi “banale” è stata scoperta solo in tempi relativamente recenti: si parla infatti degli anni 20, epoca in cui la comunità scientifica era concorde nel ritenere le proteine come portatrici dell’informazione genetica.

Perche le proteine erano considerate il materiale genetico?

Le proteine sono molecole decisamente più complesse degli acidi nucleici che hanno invece una struttura semplice composta da 4 nucleotidi differenti per le 4 basi. Si era quindi portati a pensare che una serie di istruzioni così complesse non potessero non risedere in molecole altrettanto complesse e che già si sapeva svolgessero gran parte delle funzioni all’interno della cellula. Bisogna inoltre dire che già degli anni 20 si era a conoscenza del fatto che i cromosomi fossero le strutture biologiche deputate alla conservazione dei fattori ereditari ma si sapeva anche che essi, oltre che da acidi nucleici, erano formati anche da proteine.

Esperimento di Griffith

Arriviamo finalmente al momento in cui questa idea venne messa per la prima volta in discussione.

Griffith, un ufficiale medico inglese, oltre a scoprire la trasformazione batterica (il primo meccanismo di scambio genetico individuato) mise le basi per la dimostrazione del DNA come molecola detentrice dell’informazione genetica.

Stava studiando due ceppi di Streptococcus pneumoniae (R e S) differenti a livello visivo per la formazione di colonie rugose (rough) in un caso e lisce (smooth) nell’altro. Le prime non erano virulente mentre le seconde, ricoperte da una capsula polisaccaridica, se iniettate nei topi provocavano la polmonite.

Figura 1 – Esperimento di Griffith (1928)

Come illustrato nella figura 1 l’esperimento da lui effettuato consisteva nell’iniettare diverse miscele di pneumococchi nei topi. Come era facilmente prevedibile, i topi infettati con ceppi S (virulenti) morivano mentre i topi infettati con ceppi R (non virulenti) o con ceppi S uccisi dal calore sopravvivevano. La sorpresa venne quando fu iniettata una miscela di ceppi R con ceppi S uccisi: in questo caso i topi morivano e era possibile isolare colonie S dai loro tessuti.

I batteri del ceppo S, seppur morti, dovevano quindi aver in qualche modo trasferito la virulenza nei batteri del ceppo R. La sostanza capace di tale operazione venne chiamata da Griffith principio trasformante.

Esperimento di Avery

Questa fu la scintilla che portò, anni più tardi, Avery e i suoi colleghi a capire che il DNA è la molecola contenente le informazioni genetiche. Egli scopri che l’esperimento di Griffith era riproducibile in provetta: anziché infettare topi, estrassero le varie componenti cellulari dal ceppo S (lipidi, proteine, acidi nucleici) e prepararono una provetta per ognuno di essi. Solo la provetta contenente DNA riusciva a trasformare i batteri del ceppo R. Il principio trasformante scoperto da Griffith doveva quindi essere il DNA.

Nonostante a questo punto fosse chiaro che non erano le proteine il materiale ereditario, la comunità scientifica continuava a pensarla diversamente.

Esperimento del frullatore

Solo nel 1952 si ebbe la prova definitiva grazie ad un esperimento che prende il nome, scherzosamente, di esperimento del frullatore.

Ad attuarlo furono due coniugi, Martha Chase e Alfred Hershey. Studiando il batteriofago T2 (virus che infetta E. coli iniettando al suo interno il materiale genetico) si accorsero della sua potenzialità: contenendo solo proteine e DNA sarebbe stato semplice capire chi dei due fosse il materiale genetico.

Figura 2 – Foto dei coniugi Martha Chase (1927-2003) e Alfred Hershey (1908-1997)

Marcarono quindi il DNA con fosforo radioattivo (³²P) e le proteine con zolfo radioattivo (³⁵S) in due differenti campioni; lasciarono che i virus infettassero i batteri e in seguito frullarono i campioni con un normale frullatore. Quest’ultimo passaggio avrebbe consentito, nel caso fosse stato il DNA il materiale genetico, di staccare il capside (la parte proteica) rimasto fuori dai batteri. Infine, la sostanza ottenuta veniva centrifugata e fatta esaminare: la parte cellulare, contenente DNA, rimaneva sul fondo della provetta, mentre le proteine in sospensione e a seconda di dove si misurava la radioattività era possibile capire se la molecola marcata si trovasse o meno all’interno della cellula. Dall’analisi di quest’ultimo non ci furono dubbi: il DNA era la molecola entrata all’interno del batterio.

Figura 3 – Esperimento del frullatore (Credit: Genetica 3scA)

Affinché si potesse arrivare ad accettare una molecola cosi semplice ma allo stesso tempo cosi straordinaria come molecola detentrice dell’informazione genetica, ci vollero quindi una ventina d’anni e tre esperimenti. E se è scioccante pensare che solo in tempi cosi recente abbiamo scoperto questa nozione, è ancora più stupefacente rendersi conto dei passi avanti fatti da quel 1952.