Le tecnologie del DNA

Trenta cicli di PCR trasformano un frammento di DNA in circa un miliardo di copie.

Copiare il DNA in provetta

La maggior parte dei metodi per studiare il DNA ne richiede molto più di quanto ne contengano una goccia di sangue o un capello. La reazione a catena della polimerasi, o PCR, risolve il problema. Il NHGRI la chiama fotocopiatura molecolare: un modo rapido ed economico per copiare un piccolo segmento di DNA scelto. Usa le stesse regole di appaiamento delle basi della cellula. Si riscalda il campione per separare i due filamenti, poi lo si raffredda perché brevi frammenti di innesco, chiamati primer, si leghino ai due lati del bersaglio. Una DNA polimerasi resistente al calore costruisce quindi un nuovo filamento complementare su ogni stampo. Questo è un ciclo.

Ogni ciclo può raddoppiare il numero di copie, quindi il conteggio cresce rapidamente. Dopo 10 cicli una molecola potrebbe diventare 2¹⁰ = 1024 copie, dopo 20 cicli 1 048 576 e dopo 30 cicli 1 073 741 824, circa un miliardo. Le reazioni reali non raggiungono un raddoppio perfetto, ma il principio rimane valido. Kary Mullis, che ideò la PCR nel 1983, ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1993. Il NHGRI ne elenca gli usi: gran parte del lavoro di mappatura del Progetto genoma umano, l'identificazione mediante impronta genetica, il rilevamento di batteri e virus e la diagnosi di malattie genetiche.

Separare i frammenti per dimensione

Per vedere che cosa ha prodotto una reazione, i laboratori usano spesso l'elettroforesi su gel. OpenStax ne spiega il funzionamento. Una lastra di gel di agarosio, ottenuto da una sostanza presente nelle alghe, viene immersa in una soluzione salina; i campioni di DNA vengono caricati in piccoli pozzetti a un'estremità. I gruppi fosfato danno al DNA una carica negativa, quindi quando la corrente elettrica attraversa il gel, il DNA si muove verso l'elettrodo positivo. Il gel funziona come un reticolo: i frammenti piccoli lo attraversano rapidamente, mentre quelli grandi rimangono indietro. Dopo un po', i frammenti più piccoli sono i più lontani dai pozzetti. Un colorante rende poi visibili le bande.

Leggere le lettere e l'intero genoma

Leggere l'ordine delle basi si chiama sequenziamento. Frederick Sanger sviluppò il metodo di terminazione della catena: utilizza nucleotidi leggermente modificati che interrompono l'allungamento del filamento nel punto in cui vengono inseriti. Separando i frammenti interrotti per dimensione si ricava la sequenza, una base alla volta. Sanger ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1980 e il suo metodo fu usato per il Progetto genoma umano. Il progetto iniziò ufficialmente nell'ottobre 1990 e fu completato nell'aprile 2003, con oltre due anni di anticipo. Copriva circa il 92 per cento del genoma, quanto consentiva la tecnologia dell'epoca. L'ultimo 8 per cento, ricco di sequenze ripetute, fu completato dal consorzio Telomere-to-Telomere nel 2022, ottenendo una sequenza completa di 3.055 miliardi di coppie di basi.

Confrontare i genomi mostra quanto le persone siano simili. Il NHGRI osserva che i genomi di due persone vengono spesso descritti come identici per circa il 99.9 per cento. Con circa 3 miliardi di basi, lo 0.1 per cento corrisponde comunque a circa 3 milioni di differenze, sufficienti a rendere caratteristico il profilo del DNA di ogni persona.

Modificare il DNA

Gli strumenti di editing genomico agiscono come forbici che tagliano il DNA in un punto scelto; gli scienziati possono poi rimuovere, aggiungere o sostituire DNA in quel punto. Il NHGRI descrive CRISPR come più semplice, rapido, economico e preciso dei metodi precedenti: oggi molti scienziati che modificano genomi lo usano. Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna hanno condiviso il premio Nobel per la chimica del 2020 «per lo sviluppo di un metodo di editing genomico». I ricercatori lo usano per disattivare singoli geni in animali come topi e pesci zebra e capire che cosa fanno. Si stanno sviluppando terapie, ma il NHGRI segnala problemi ancora aperti: a volte gli strumenti tagliano nel punto sbagliato e le modifiche a ovuli, spermatozoi o embrioni passerebbero alle generazioni future. Molti paesi limitano questo tipo di intervento e i NIH non finanziano ricerche per modificare embrioni umani.