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1.2 Genomica

«Dimmi, quanti geni ha un essere umano?» Marcello è sorpreso della domanda. «Boh!», risponde, «Non ne ho la minima idea. Probabilmente tanti. Mi chiedo come facciano a starci tutti nel nucleo della cellula che è minuscolo.» Imad fa cenno di sì: «Penso che anche i geni siano molto piccoli. Sono fatti solo di molecole o una cosa del genere.» Dopo una breve riflessione Marcello aggiunge: «Giusto, sono composti dalle quattro basi GACT. Sembra la scritta di un graffiti. Dobbiamo averne dei miliardi in ogni cellula.» Imad è stupito: «Accidenti! E quanti geni fanno in tutto?»

La grande sorpresa
Il corpo umano è un apparato estremamente complesso. Le ossa, il sistema nervoso e gli organi sono stati studiati in modo approfondito. Ma a livello molecolare rimangono ancora molti misteri. Ogni cellula racchiude un numero enorme di diverse proteine che vengono fabbricate grazie ai piani di costruzione contenuti nei geni. Lo studio del DNA ha permesso di rispondere a molti interrogativi appassionanti: Come funzionano questi piani di costruzione? Quanti geni possiede l'uomo?

La genomica si occupa proprio di questo campo della ricerca. Nel 1990 fu lanciato il Human Genom Project con l'obbiettivo di analizzare i tre miliardi di coppie basiche del patrimonio genetico umano. I ricercatori avevano previsto 25 anni di lavoro. Grazie però all'informatica, all'automazione e a migliori tecniche di laboratorio, il codice del genoma umano era pronto già nell'aprile 2003. L'intera sequenza delle lettere A, T, G, C del DNA era stata decifrata. Si sono scoperti 25 000 geni codificanti proteine. Il genoma umano possiede molto meno geni di quanto supposto - poco più dei vermi nematodi. Questa è stata la grande sorpresa.

Come si decifrano i geni
I geni sono così piccoli da non essere visibili neanche al microscopio. Per studiare i geni, questi devono essere estratti dalla cellula e poi moltiplicati. Il DNA viene copiato fino a ottenerne grosse quantità che diventano così visibili. A questo scopo si ricorre all'enzima polimerasi, in grado di copiare velocemente le sequenze dei geni. La tecnica si chiama Polymerase Chain Reaction (PCR) o reazione di polimerizzazione a catena. Ma come si fa a leggere la sequenza di lettere del DNA in laboratorio? Ciò che avviene facilmente in natura nella cellula è stato finora un rompicapo per la scienza: le molecole A, G, C e T non sono infatti visibili. Per decifrare la sequenza di lettere s'impiega oggi la tecnica del sequenziamento, che risolve il problema con molta astuzia (vedi grafico).

Ancora molto da fare ...
Ancora molto da fare ... Oltre al codice genetico dell'uomo si sono decifrati anche i genomi di diverse specie animali e vegetali. Si conosce ad esempio il codice genetico del topo o quello della zanzara portatrice della malaria. Il codice genetico non è però assolutamente identico negli individui della stessa specie. Ciò significa che nel filamento di DNA le coppie di basi differiscono da individuo a individuo. Il genoma di ogni essere umano è unico, come un'impronta digitale.

Oggi i ricercatori sanno che aver decifrato il genoma umano non significa che il lavoro è terminato. Al contrario, è appena iniziato. Bisogna capire infatti quali sono le differenze nei codici genetici delle persone e cosa ciò comporta. Bisogna studiare com'è organizzato il genoma, come insorgono i danni ai geni e come questi vengono riparati dalle cellule.

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Ricerca - Genomik - Die DNA-Welt
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1. Preparazione: isolare i frammenti di DNA
Prima di inserire il DNA nell'apparecchio di PCR, il filamento viene sezionato in piccoli pezzi mediante le forbici naturali del DNA, gli enzimi di restrizione.
2. Tecnica PCR: crescita esponenziale
Per effettuare una PCR, si prendono dei piccoli contenitori di plastica dove si mettono i mattoncini del DNA A, C, T, G nonché gli enzimi polimerasi e i frammenti di DNA. Questa miscela viene innanzitutto riscaldata nell'apparecchio di PCR. Il DNA si divide in singoli filamenti. La miscela viene poi raffreddata a una temperatura ottimale per la polimerasi: l'enzima si avvale delle coppie di basi per completare i singoli filamenti e formare dei doppi filamenti. Un frammento di DNA viene così duplicato ad ogni passaggio. 15 passaggi generano oltre 30 000 frammenti di DNA identici.
3. Sequenziamento: frammenti di DNA con terminazione nota
L'ordine dei singoli mattoni di DNA in un gene viene determinato grazie al metodo d'interruzione della catena. Per la PCR si aggiungono dei cosiddetti codoni di stop per un determinato tipo di base, per esempio stop G. Se per caso la polimerasi incorpora al posto di una G normale uno stop G, il processo di copiatura s'interrompe. Dopo la PCR si hanno numerose copie di diversa lunghezza dei frammenti di DNA da studiare e tutti terminano con uno stop G.
4. Elettroforesi: ordinare in base alle dimensioni
I frammenti ottenuti sono troppo piccoli per essere paragonati direttamente fra loro. Vengono quindi iniettati dall'ingegnere genetico in un gel attraversato da corrente. I frammenti di DNA sono a carica negativa e migrano quindi verso il polo positivo. I pezzi più piccoli arrivano più lontano di quelli più grandi, che hanno maggiore difficoltà ad avanzare nel gel. Dopo la PCR ogni pezzo è disponibile in migliaia di copie. Poiché i frammenti della stessa lunghezza percorrono la stessa distanza nel gel, si possono distinguere delle bande in questa sostanza. Ogni banda corrisponde a un segmento che termina con G. Se due bande sono poste fianco a fianco, significa che anche nel gene ci sono due G vicine. Se le bande sono molto distanti fra loro, vuol dire che fra loro vi sono molte altre lettere. Ripetendo l'operazione con stop A, stop C e stop T si può determinare l'intera sequenza genetica.
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