Cos’è la Biologia Molecolare

La nascita della Biologia Molecolare nella seconda metà del Novecento è uno degli eventi più rilevanti nell’ambito delle scienze della vita.

Il termine Biologia Molecolare fu coniato nel 1938 da Warren Weaver, direttore della Fondazione Rockefeller, che – sulla base delle ultime scoperte della cristallografia a raggi X, che permettevano uno studio della struttura delle molecole – iniziò a pensare a uno sviluppo della biologia a livello molecolare.

La Biologia Molecolare è una branca della biologia che studia i meccanismi molecolari alla base della vita. In particolare, analizza le interazioni tra le macromolecole di cui sono costituiti gli esseri viventi:

• proteine
• acidi nucleici:
  • DNA (acido desossiribonucleico)
  • RNA (acido ribonucleico)

Studia i meccanismi che ne regolano il funzionamento, le disfunzioni e le interazioni che avvengono entro e tra le cellule che le contengono.

Rispetto all’approccio descrittivo e tassonomico, tipico della biologia fino alla prima metà del Novecento, la Biologia Molecolare ha oggi un’impostazione prevalentemente chimico–fisica e matematico–quantitativa.

Le origini e le prime scoperte

La nascita della Biologia Molecolare è stata possibile grazie a numerose scoperte del secolo scorso:

• definizione del ruolo del gene come elemento centrale della cellula e come mezzo di trasmissione dei caratteri ereditari e dell’evoluzione naturale;
• successiva localizzazione del gene nel DNA (struttura a doppia elica);
• descrizione della struttura del DNA, dei meccanismi di replicazione e della decodificazione in RNA e proteine dei geni.

In particolare, le scoperte che negli anni Trenta, Quaranta e Cinquanta hanno fornito le basi su cui la disciplina è nata:

• 1935 – si associa per la prima volta l’ereditarietà ai cromosomi;
• 1943 – si comprende il meccanismo di trasferimento di tratti somatici tra ceppi batterici (esperimento di Avery, basato sul famoso esperimento di Griffith);
• 1953 – esperimento di Hershey-Chase: dimostra che il DNA è il materiale genetico.

La scoperta della struttura del DNA

La vera nascita della Biologia Molecolare si fa tradizionalmente risalire al 1953, con la scoperta da parte di James Watson e Francis Crick della struttura del DNA:

• il DNA è un polimero costituito da monomeri chiamati nucleotidi (deossiribonucleotidi);
• contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine.

Nel 1958 l’esperimento di Meselson-Stahl dimostra il meccanismo di replicazione semiconservativo del DNA: ogni volta che una cellula si divide, l’intero patrimonio genetico (genoma) deve essere duplicato per poter essere trasmesso alla progenie (tramite mitosi o meiosi).

DNA, RNA e proteine

Sin dai primi anni Sessanta, i biologi molecolari hanno imparato a:

• caratterizzare
• isolare
• manipolare

le componenti molecolari delle cellule e degli organismi:

• il DNA, depositario dell’informazione genetica;
• l’RNA, che in alcuni casi è anch’esso depositario di informazione, ma in genere funge da copia temporanea operativa del DNA e può svolgere funzione strutturale e catalitica nell’apparato deputato alla traduzione;
• le proteine, che ricoprono ruoli strutturali ed enzimatici nelle cellule.

La rivoluzione della PCR

La vera rivoluzione pratica si ebbe con la messa a punto della Reazione a Catena della Polimerasi (PCR), ad opera del biochimico americano Kary Mullis nel 1983, per la quale ottenne il Premio Nobel per la Chimica nel 1993.

In breve, la PCR consente – attraverso una reazione enzimatica condotta mediante polimerasi termostabile – di copiare milioni di volte un frammento di DNA.

La velocità e la specificità della PCR, e la possibilità di ottenere copie teoricamente infinite di un particolare gene o regione di DNA, hanno avuto applicazioni immediate in molti settori delle biotecnologie:

• diagnostica di laboratorio
• microbiologia
• oncologia
• studio delle malattie ereditarie
• medicina legale
• paleontologia

Una disciplina fortemente interdisciplinare

La Biologia Molecolare si avvale delle competenze di numerose aree scientifiche:

• Informatica – per l’elaborazione dell’enorme mole di dati;
• Fisica – nello studio delle biomolecole a livello di struttura tridimensionale (biologia strutturale);
• Chimica e Biochimica – perché le molecole oggetto di studio sono sostanze chimiche;
• Genetica – perché lo studio dei processi molecolari richiede la comprensione del loro controllo a livello genico.

Credits: Biologia Molecolare – BiMoc