James Watson (a sinistra) e Francis Crick (a destra), scopritori della struttura a doppia elica del DNA

Nel 1928 Frederick Griffith scoprì che i caratteri della forma smooth ("liscia") di Pneumococcus potevano essere trasferiti alla forma rough ("rugosa"), miscelando i resti di batteri smooth morti con batteri rough vivi. Questo sistema, pur non fornendo nessuna evidenza su quale fosse la sostanza che determinava il cambiamento, mostrava che qualcosa potesse trasportare l'informazione genetica dai resti dei batteri morti a quelli vivi. Si parlò quindi di un principio trasformante in grado di modificare i batteri vivi. Nel 1943 Oswald Theodore Avery dimostrò, in un celebre esperimento insieme a Colin MacLeod e Maclyn McCarty, che il DNA è il principio trasformante alla base di questo fenomeno. Il ruolo del DNA nell'ereditarietà è stato provato, infine, nel 1953 da Alfred Hershey e Martha Chase attraverso un altro classico esperimento, che dimostrò che il materiale genetico del fago T2 è effettivamente il DNA.

Il DNA fu inizialmente isolato dal biochimico svizzero Friedrich Miescher, il quale, nel 1869, individuò una sostanza microscopica contenuta nel pus di bende chirurgiche utilizzate. Dal momento che tale molecola aveva la sua localizzazione nel nucleo, egli la chiamò nucleina

LA RICERCA DEL MATERIALE GENETICO

Johan Friedrich Miescher (Basilea, 13 agosto 1844 – Davos, 26 agosto 1895) è stato un biologo svizzero, che isolò per la prima volta gli acidi nucleici

Friedrich Miescher

Egli evidenziò infatti nel 1869, presso i laboratori di Felix Hoppe-Seyler a Tubinga, la presenza di vari composti chimici ricchi in fosfato all'interno dei nuclei dei leucociti. La scoperta di tali molecole, che egli denominò nucleina, aprì la strada all'identificazione del DNA come molecola responsabile della conservazione e della trasmissione dei caratteri ereditari.

Il laboratorio (situato nei sotterranei di un vecchio castello) dove Miescher isolò per la prima volta la nucleina

Nel 1919 Phoebus Levene individuò la struttura del nucleotide, composta da base azotata, zucchero e fosfato.

Phoebus LevenePhoebus Aaron Theodore Levene (25 febbraio 1869 – 6 settembre 1940) è stato un biochimico lituano, emigrato nel 1893 negli Stati Uniti a causa dei pogrom antisemiti che avevano come bersaglio anche la sua famiglia, di origine ebraica. Levene studiò lungamente il DNA e scoprì che esso contiene adenina, guanina, timina, citosina, deossiribosio ed un gruppo fosfato.

Diagramma molecolare di un ipotetico tetranucleotide, come proposto (scorrettamente) da Levene intorno al 1910

Frederick GriffithFrederick Griffith (1879 – 1941) è stato un biologo inglese

Nel 1928, attraverso quello che oggi è noto come esperimento di Griffith, propose la presenza di un principio trasformante alla base della trasformazione batterica. L'esperimento aprì la strada alla scoperta del DNA come molecola contenente l'informazione genetica.

Griffith stava lavorando alla messa a punto di un vaccino contro le frequenti epidemie di polmonite esplose in Gran Bretagna al termine della Prima guerra mondiale. Griffith stava utilizzando due linee del batterio Streptococcus pneumoniae: una, definita rugosa (R), non era in grado di indurre la malattia; l'altra, liscia (in inglese smooth, S), induceva la patologia perché dotata di capsula polisaccaridica. Essa tuttavia, se inattivata ad alte temperature, non era in grado di indurre patologia in seguito ad iniezione in topi.La patologia insorgeva invece in seguito all'iniezione di batteri S inattivati e di R. Griffith isolò i batteri dal sangue dell'animale e scoprì che gli R avevano acquisito la capsula ed erano in grado di mantenerla lungo le generazioni. Griffith ipotizzò dunque la presenza di qualche principio trasformante in grado di trasferirsi dalla linea S inattivata a quella R. Solo alcuni anni più tardi fu chiaro che quel principio fosse il DNA.

Oswald Theodore Avery

Oswald Theodore Avery ( 21 ottobre 1877 – 2 febbraio 1955) è stato un medico canadese. Spese la maggior parte della sua carriera come ricercatore nell'ospedale dell'Istituto Rockefeller a New York. Avery è stato uno dei primi biologi molecolari e fu un pioniere nel campo dell'immunologia; è comunque maggiormente conosciuto per il suo esperimento del 1944, con i suoi collaboratori Colin MacLeod e Maclyn McCarty, che diede una chiara prova del fatto che i geni e i cromosomi fossero costituiti da DNA.

Il celebre esperimento diede la prima prova certa che la molecola di DNA fosse portatrice dell'informazione genica. Avery usò come base per il suo esperimento gli studi condotti qualche decennio prima dallo scienziato Frederick Griffith su due ceppi del batterio Streptococcus pneumoniae: il ceppo S letale per le cavie e il ceppo R innocuo. Si era dimostrato che l'informazione genica (compresa l'informazione riguardante la letalità del batterio) poteva essere trasferita dal batterio S lisato al batterio R (trasformazione batterica), rendendo quest'ultimo letale. Avery dimostrò che l'informazione veniva trasmessa dal DNA, perché l'attività trasformante cessava solo quando la miscela veniva trattata con DNasi (enzimi che degradano il solo DNA).

Alfred Hershey

Nobel per la medicina 1969

Hershey e la sua assistente Martha Chase nel 1952 al Cold Spring Harbor Laboratory, dimostrarono usando traccianti radioattivi, che il materiale genetico di alcuni batteriofagi (virus che infettano i batteri) è Dna ed è responsabile delle capacità infettive. L'esperimento di Hershey-Chase prova definitivamente che il materiale genetico è costituito da DNA e non da proteine.

Alfred Day Hershey (4 dicembre 1908 – 22 maggio 1997) è stato un genetista statunitense, premio Nobel per la medicina nel 1969, insieme a Salvador Luria e Max Delbrück, per la scoperta della replicazione dei virus e della loro struttura genica .

Martha Cowles Chase (1927 – 8 agosto 2003) è stata una genetista statunitense.

Martha Chase

Uno aveva 23 anni ed era un biologo statunitense, l'altro ne aveva 35 ed era un fisico britannico. I loro nomi sono tra i più famosi nella storia della Scienza: James Watson e Francis Crick. Lavoravano insieme da poco meno di due anni – dall'ottobre del 1952 – quando, discutendo nel loro studio presso il Cavendish Laboratory (il dipartimento di fisica di Cambridge), il 21 febbraio 1953 si resero conto di avercela fatta. Di aver svelato un mistero che da 84 anni (il dna era stato scoperto nel 1869) occupava la mente e le notti di decine di scienziati: la struttura dell'acido desossiribonucleico, conosciuto meglio come dna, sede del patrimonio genetico di ogni essere vivente.

DUPLICAZIONE DEL DNA

Nei procarioti, la molecola di DNA è chiusa ad anello. In occasione della replicazione del DNA, questo anello si apre (le due eliche che lo formano, si aprono) creando due forcelle o forche di replicazione (o forcella replicativa).In ciascuna forcella, il distacco delle due eliche, avviene ad opera di un enzima chiamato elicasi.Ciò garantisce che le due eliche siano, in ambito replicativo, indipendenti, permettendo la sintesi su ciascuna di esse, di un'elica "figlia" a opera dell'enzima DNA-polimerasi.

Una single-strand binding protein (dall'inglese, proteina legante il singolo filamento), nota anche come SSB o SSBP o proteina destabilizzante l'elica, è una proteina in grado di legare le regioni di DNA a singolo filamento, al fine di prevenirne il riappaiamento con un altro singolo filamento. Poiché i singoli filamenti di DNA tendono spontaneamente ad appaiarsi in una doppia elica, il legame delle SSB aiuta enzimi come le elicasi a stabilizzare l'elica denaturata, condizione necessaria per procedere alla replicazione del DNA.Le SSB sono state individuate in numerosi organismi, tra cui l'uomo.

Struttura della elicasi di E. coli

L'elicasi è un enzima specifico della replicazione del DNA. Esso agisce rompendo i legami idrogeno instaurati tra le basi complementari. Inoltre questo enzima agisce in coppia con la DNA-girasi che separa i due filamenti di DNA.

Elicasi è un enzima specifico della replicazione del DNA. Esso agisce rompendo i legami idrogeno tra le basi.

SSB sono in grado di mantenere aperti i due filamenti del DNA in modo che non si riappaino

DNA polimerasi, enzimi capaci di costruire una nuova catena solo in direzione 5'-3'

DNA girasi facilita lo svolgimento (denaturazione) della doppia elica del DNA, necessario per l'attuazione di varie reazioni, come l'apertura della doppia elica ad opera dell'elicasi, all'inizio della replicazione del DNA stesso e della trascrizione.

Primer è un filamento di acido nucleico che serve come punto di innesco per la replicazione del DNA. I primer sono necessari perché molte DNA-polimerasi (enzimi che catalizzano la replicazione del DNA) non possono iniziare la sintesi di un nuovo filamento "ex novo", ma possono solo aggiungere nucleotidi ad un filamento preesistente

Primasi sono una particolare forma di RNA polimerasi le primasi codificano per una breve molecola di RNA (detta appunto primer o "Innesco") di circa 11 ±1 nucleotidi,Il primer o innesco viene utilizzato successivamente come punto di partenza per le DNA polimerasi

Le primasi sono dunque importantissime per la replicazione del DNA, dal momento che non esistono DNA polimerasi in grado di iniziare la sintesi del DNA senza un primer ad RNA

Frammento di Okazaki è un breve frammento di DNA sintetizzato attraverso la catalizzazione dalle DNA polimerasi (DNA polimerasi III, nei procarioti) durante la replicazione del DNA da parte del filamento lento, e da un Primer di RNA. Questo frammento è composto da circa 100÷200 nucleotidi nelle cellule eucariote e 1000÷2000 nucleotidi nelle cellule procariote.

Endonucleasi sono enzimi idrolitici identificati negli anni settanta che scindono un polinucleotide in due (rimuovono i primer)

DNA ligasi enzima in grado di legare due frammenti di DNA che hanno subito una rottura a doppio filamento (ad esempio nei processi di riparazione del DNA