La ricombinazione genetica

La costituzione genetica di un organismo può essere modificata in modo casuale e "naturale", oppure artificialmente in modo mirato. Il primo fenomeno avviene tra individui della stessa specie per mezzo del crossing-over . Nei batteri, inoltre, può avere luogo tra cellule diverse grazie ai processi di trasduzione, coniugazione e trasformazione. Se invece la struttura genetica di un organismo viene alterata artificialmente, si parla di biotecnologia.

  La ricombinazione genetica nei batteri

La trasduzione è operata da un fago che trasferisce una parte del DNA di un batterio a un'altra cellula batterica: un fago che ha infettato un batterio può incorporare porzioni del suo DNA e introdurlo nel cromosoma di un altro batterio che ha successivamente infettato.

Nella coniugazione il DNA passa da un batterio a un altro con cui viene a contatto mediante un filamento di citoplasma. Le cellule prodotte dalla divisione del batterio che ha ricevuto il DNA avranno un cromosoma riassortito, poiché deriva anche dall'altro batterio.

La trasformazione consiste nel passaggio da un batterio a un altro di un plasmide, cioè del DNA supplementare rispetto al proprio cromosoma; il plasmide porta i geni che consentono di sviluppare la resistenza agli antibiotici.

  Le biotecnologie

Le biotecnologie sono quelle tecniche che permettono di produrre sia sostanze sia servizi (per esempio, analisi, depurazione delle acque ecc.) con l'impiego di organismi viventi, cellule e loro costituenti, o mediante la loro manipolazione genetica.

Propriamente, le tecniche che consentono di alterare il patrimonio genetico degli organismi vanno sotto il nome di ingegneria genetica. A differenza della ricombinazione naturale, l'ingegneria genetica altera in modo mirato il genoma di un organismo, isolando alcuni suoi geni (eventualmente modificati) e inserendoli in cellule di un'altra specie, dove si moltiplicano e sintetizzano le loro proteine. La cellula ospite (nella quale introdurre i geni) è normalmente un batterio. I vantaggi nell'uso dei batteri sono molteplici: semplicità della cellula; conoscenza dei meccanismi di ricombinazione naturale; velocità di crescita.

Le biotecnologie sono utilizzate da millenni per produrre vino, formaggio e in generale i prodotti fermentati. Hanno però assunto grande importanza solo negli anni '80 dopo che, con la scoperta del DNA e del codice genetico, si è compreso il funzionamento dei geni e si è perfezionata la tecnica del DNA ricombinante. Attualmente le biotecnologie trovano impiego nella cura della salute (produzione di sostanze che sono alla base di farmaci), nell'agricoltura (inserimento di particolari geni utili nel genoma delle piante), nell'alimentazione (lavorazione dei prodotti, controllo della qualità e dello stato di conservazione degli alimenti) e nella difesa dell'ambiente (trattamento dei rifiuti, depurazione delle acque).

Una delle metodologie più importanti dell'ingegneria genetica ricorre al DNA ricombinante. Questa tecnica utilizza gli enzimi di restrizione, capaci di tagliare il DNA batterico e quello umano in corrispondenza di precise sequenze, in modo tale che le estremità delle due catene siano complementari e possano appaiarsi.

La molecola di DNA ricombinante si forma quando molecole di DNA-ligasi saldano stabilmente le estremità del DNA umano a quelle del DNA batterico. Il DNA ricombinante viene quindi introdotto in una cellula batterica, dove produce la proteina corrispondente al gene umano inserito. Man mano che si riproduce per divisione cellulare, si forma un clone di cellule geneticamente identiche, dotate del DNA ricombinante.

Un metodo alternativo alla clonazione per ottenere grandi quantità di DNA ricombinante utilizza la reazione a catena della polimerasi.

La polimerasi è un enzima in grado di sintetizzare sequenze di macromolecole partendo da monomeri. Per esempio, la DNA-polimerasi sintetizza DNA a partire dai nucleotidi. La tecnica della reazione a catena della polimerasi riesce ad attivare in provetta lo stesso processo di replicazione del DNA che avviene nella cellula.

Partendo da una sequenza conosciuta, vengono sintetizzati in laboratorio due DNA primer, lunghi una ventina di nucleotidi, complementari ai due filamenti dei DNA da amplificare. A questo punto si ripete più volte un ciclo di reazioni che si compone di tre fasi:

1. denaturazione: i due filamenti del DNA da amplificare vengono separati per mezzo del calore;
2. ibridazione: questi due filamenti si appaiano alle molecole di DNA primer;
3. estensione: utilizzando nucleotidi liberi, la DNA-polimerasi ricopia uno dei due filamenti partendo dal primer; il DNA sintetizzato sarà complementare a quello di origine.