La biologia molecolare è una branca della scienza che esplora la struttura e la funzione delle molecole che compongono gli organismi viventi. Si concentra principalmente sulle molecole di DNA, RNA e proteine, comprendendo come queste molecole interagiscono per supportare i processi della vita.
Il dogma centrale della biologia molecolare descrive il flusso dell'informazione genetica in un sistema biologico. Si articola come DNA ➞ RNA ➞ Proteina. Questo flusso di informazioni delinea come il codice genetico contenuto nel DNA viene trascritto nell’RNA messaggero (mRNA) e quindi tradotto in una proteina specifica.
DNA (acido desossiribonucleico): il DNA è la molecola che contiene le istruzioni genetiche per lo sviluppo, il funzionamento, la crescita e la riproduzione di tutti gli organismi viventi conosciuti e di molti virus.
RNA (acido ribonucleico): l'RNA è una molecola polimerica essenziale in vari ruoli biologici, tra cui la codifica, decodifica, regolazione ed espressione dei geni.
Proteine: le proteine sono grandi biomolecole che svolgono una vasta gamma di funzioni all'interno degli organismi, tra cui catalizzare le reazioni metaboliche, la replicazione del DNA, rispondere agli stimoli e trasportare molecole da un luogo all'altro.
La struttura del DNA è una doppia elica formata da coppie di basi attaccate ad uno scheletro zucchero-fosfato. Nel DNA si trovano quattro basi: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). La sequenza di queste basi codifica l'informazione genetica.
Durante la replicazione del DNA, la molecola di DNA viene duplicata per trasmettere un set completo di informazioni genetiche a una cellula figlia. Questo processo è fondamentale per l'eredità genetica durante la divisione cellulare.
La trascrizione è il processo mediante il quale l'informazione contenuta in un filamento di DNA viene copiata in una nuova molecola di RNA messaggero (mRNA). Una volta elaborato, l'mRNA viene trasportato fuori dal nucleo nel citoplasma per la traduzione.
La traduzione è il processo in cui i ribosomi nel citoplasma o nel reticolo endoplasmatico sintetizzano le proteine dopo il processo di trascrizione del DNA in RNA nel nucleo della cellula. L'mRNA viene decodificato per produrre una specifica catena di amminoacidi, o polipeptide, che successivamente si ripiegherà in una proteina attiva.
Il codice genetico è un insieme di regole utilizzate dalle cellule viventi per tradurre in proteine le informazioni codificate nel materiale genetico (sequenze di DNA o mRNA). Si tratta essenzialmente di un linguaggio che definisce come sequenze di tre nucleotidi, chiamate codoni, specificano quale amminoacido verrà aggiunto successivamente durante la sintesi proteica. Ci sono 64 codoni che codificano i 20 aminoacidi standard, mentre altri segnalano l'inizio o l'arresto della sintesi proteica.
Ad esempio, la sequenza AUG funge da codone di inizio e codifica anche per l'amminoacido metionina. D'altra parte, i codoni UAA, UAG e UGA fungono da segnali di arresto durante la traduzione.
La biologia molecolare impiega varie tecniche per comprendere le funzioni genetiche e proteiche.
Reazione a catena della polimerasi (PCR): la PCR è un metodo utilizzato per amplificare uno specifico segmento di DNA. Questa tecnica consente la creazione di milioni di copie di un segmento di DNA da un piccolo campione iniziale, il che aiuta nello studio e nell'analisi dettagliati.
Elettroforesi su gel: una tecnica per separare frammenti di DNA o proteine in base alla loro dimensione e carica. Le molecole vengono spinte da un campo elettrico attraverso un gel che contiene piccoli pori.
Sequenziamento: il sequenziamento del DNA è il processo di determinazione della sequenza dell'acido nucleico – l'ordine dei nucleotidi nel DNA. Include qualsiasi metodo o tecnologia utilizzata per determinare l'ordine delle quattro basi: adenina, guanina, citosina e timina.
CRISPR-Cas9: CRISPR-Cas9 è un sistema di editing del genoma che fornisce ai ricercatori la capacità di alterare le sequenze di DNA e modificare la funzione genetica. Ha applicazioni nel campo della medicina e dell'agricoltura.
I risultati della biologia molecolare hanno vaste applicazioni nella diagnosi medica, nel trattamento e nello studio della genetica e della biologia dello sviluppo.
Diagnosi e trattamento medico: tecniche come la PCR e il sequenziamento consentono l'identificazione di disturbi genetici e la presenza di agenti infettivi. Queste informazioni possono portare a terapie e trattamenti mirati per le malattie.
Ingegneria genetica: manipolando il DNA, gli scienziati possono creare organismi con qualità specifiche, come piante con un contenuto nutrizionale migliorato o resistenza a parassiti e malattie. L’ingegneria genetica ha portato anche alla produzione di proteine terapeutiche, vaccini ed enzimi.
Ricerca sul cancro: le tecniche di biologia molecolare svelano i meccanismi molecolari attraverso i quali le cellule tumorali crescono in modo incontrollabile. L’identificazione di geni e proteine specifici coinvolti nella progressione del cancro consente lo sviluppo di terapie mirate.
La biologia molecolare è stata messa in luce da esperimenti e scoperte significativi che hanno fatto avanzare la nostra comprensione della vita a livello molecolare.
L'esperimento Hershey-Chase: questo esperimento ha fornito prove conclusive che il DNA è il materiale genetico. Etichettando i batteriofagi (virus che infettano i batteri) con isotopi radioattivi, Hershey e Chase sono riusciti a dimostrare che il DNA, e non le proteine, è responsabile dell'ereditarietà dell'informazione genetica.
Il modello Watson-Crick del DNA: James Watson e Francis Crick, con il contributo di Rosalind Franklin, proposero la struttura a doppia elica del DNA nel 1953. Questa scoperta fu cruciale per comprendere come l'informazione genetica viene immagazzinata, replicata e trasmessa negli organismi viventi.
Scoperta di CRISPR-Cas9: La scoperta del sistema CRISPR-Cas9 ha rivoluzionato la biologia molecolare. Inizialmente studiato come parte del sistema immunitario batterico, CRISPR-Cas9 è ora ampiamente utilizzato per l’editing del genoma in vari organismi, consentendo la manipolazione precisa delle sequenze genetiche.
La biologia molecolare comprende lo studio delle molecole che costituiscono gli organismi viventi, in particolare il DNA, l'RNA e le proteine. Attraverso la comprensione di processi come la replicazione, la trascrizione e la traduzione del DNA, la biologia molecolare fa luce sugli intricati dettagli della vita. Tecniche come la PCR, l'elettroforesi su gel, il sequenziamento e CRISPR-Cas9 svolgono un ruolo fondamentale nella ricerca e nelle applicazioni che vanno dai trattamenti medici ai miglioramenti agricoli. Esperimenti e scoperte pionieristiche continuano a ampliare i confini della biologia molecolare, offrendo nuove intuizioni e sollevando questioni etiche, sociali e legali sul potere di manipolare l’essenza stessa delle entità biologiche.
