Disciplina che studia le molecole organiche complesse presenti nella cellula, in particolare DNA (acido desossiribonucleico), RNA (acido ribonucleico) e proteine, allo scopo di mettere in relazione la struttura di ciascuna con la funzione che essa svolge all'interno della cellula stessa e nell'ambito dell'organismo. Le modalità d'indagine della biologia molecolare applicano tecniche che provengono da varie altre discipline, quali la biochimica, la fisica e la genetica. Le scoperte della biologia molecolare trovano applicazione nell'ingegneria genetica (detta anche tecnologia del DNA ricombinante) e nella biotecnologia.
La biologia molecolare ha permesso di chiarire come avviene la sintesi delle proteine, che è un processo molto complesso e richiede due fasi fondamentali. La prima di queste fasi prende il nome di trascrizione e consiste nella copiatura di un gene (una porzione di DNA), contenente le istruzioni necessarie alla costruzione della specifica proteina, su un'altra molecola di acido nucleico a singolo filamento, detta RNA. Come nella duplicazione del DNA, anche il gene viene copiato fedelmente mediante l'appaiamento delle basi dell'RNA sullo stampo fornito dalla porzione di DNA. La seconda fase, chiamata traduzione, prevede l'utilizzazione delle informazioni contenute nella molecola di mRNA per la sintesi di una proteina, che avviene a livello dei ribosomi. Il cosiddetto "dogma centrale della biologia molecolare" stabilisce che il flusso delle informazioni passa dal DNA all'RNA alle proteine.
Reazione a catena della polimerasi
La reazione a catena della polimerasi (PCR) è una procedura mediante la quale è possibile ottenere in tempi estremamente rapidi un gran numero di copie di un frammento di DNA, utilizzando un enzima specifico, la polimerasi e una miscela di nucleotidi liberi. La PCR si svolge in tre fasi. Durante la prima, o denaturazione, la molecola di DNA viene riscaldata e scissa nei due filamenti complementari. Nella seconda fase, brevi sequenze di DNA dette promotori o primers, sintetizzate chimicamente, vengono aggiunte nella provetta di reazione; ad una determinata temperatura, i primers si legano in punti specifici di ciascun filamento di DNA. I primers sono indispensabili al passaggio seguente, detto polimerizzazione. In questa terza fase, infatti, la polimerasi catalizza il legame delle sequenze primer con nucleotidi liberi; ciò avvia la progressiva formazione di un nuovo filamento di DNA complementare a quello originario. Per ogni ciclo della PCR, dunque, si ottengono due copie identiche del frammento iniziale di DNA; la velocità della reazione è tale che in poche ore vengono sintetizzati cento miliardi di molecole.
Un’importante passo in avanti della biologia molecolare fu la messa a punto di una tecnica nota come reazione a catena della polimerasi. Fu ideata da Kary B. Mullis nel 1983 e permette la riproduzione in numerosissime copie di un frammento di DNA, in tempi più rapidi e in modo più semplice di quanto si riesce a fare con la clonazione, cioè innestando tale frammento in un batterio e attendendo che questo si sia riprodotto molte volte. La necessità di avere una grande quantità di copie di una molecola di DNA è dovuta al fatto che, per gli studi di biologia molecolare, le strumentazioni attuali non riescono a identificare e a utilizzare soltanto poche molecole dell’acido nucleico. La tecnica si basa sulla proprietà di un enzima, la polimerasi, di legare in sequenza diversi nucleotidi in modo da creare un filamento di DNA, usando come stampo un altro singolo filamento dello stesso acido nucleico.
La tecnica di più recente introduzione in biologia molecolare è quella della terapia genetica, che consente di introdurre un gene in una o più cellule somatiche di un organismo affetto da una particolare patologia, per riuscire a guarirlo o comunque a migliorarne di salute. Mediante questa tecnica vi è la speranza di riuscire a guarire malattie come la malattia di Alzheimer e il morbo di Parkinson.
La fondamentale scoperta che ha segnato la nascita della biologia molecolare fu l’elaborazione, nel 1953, del modello tridimensionale dell’acido desossiribonucleico (DNA), a opera del biologo statunitense James Watson e del biofisico britannico Francio Crick. Il DNA ha due funzioni fondamentali: da un lato presiede alla conservazione e alla trasmissione dell’informazione genetica da una generazione alla successiva,dall’altro dirige la sintesi delle proteine, molecole necessarie sia alla costruzione che al funzionamento delle cellule. I meccanismi in base ai quali questa molecola presiede a questi processi fondamentali risultano evidenti dall’analisi della struttura.
Il DNA è una molecola a doppia elica, formata da due filamenti uniti l’uno all’altro da legami fra quattro subunità, le quali si ripetono in una sequenza variabile lungo tutta la molecola. Queste subunità, dette azotate, comprendono l’adenina, la guanina, la citosina e la timida. Non tutti gli appaiamenti tra basi sono possibili: una A su un filamento si appaia sempre con una T sull’altro, mentre una G si appaia sempre con una C. Prima di ciascuna divisione cellulare il DNA si duplica, in modo tale da trasmettere a ciascuna delle due cellule figlie una copia fedele del patrimonio genetico parentale. Nel corso di questo processo l’informazione contenuta nella molecola viene prodotta in modo estremamente preciso: i due filamenti si separano a ciascuno di essi funge da stampo per la costruzione di un nuovo filamento appaiato al primo.
Grazie a una
procedura sperimentale messa a punto da Frederick Ranger nel 1977, è oggi
possibile leggere la sequenza lineare delle basi di un frammento di DNA.
Il metodo viene oggi utilizzato anche da
tutti i laboratori coinvolti nel Progetto Genoma Umano, che si pongono
l’obiettivo di identificare tutti i geni presenti nel patrimonio genetico della
nostra specie.
Conoscendo la sequenza di basi del DNA, si può identificare ciascun gene come sequenza lineari di basi, che a sua volta indica, in base al codice genetico, la sequenza di amminoacidi della proteine corrispondente. In generale, è molto più facile ordinare le sequenze di basi del DNA che non quelle degli amminoacidi delle proteine; per questo motivo, di solito la sequenza amminoacidica di una proteina viene identificata indirettamente, a partire dalla sequenza del gene corrispondente. Quando si identifica la sequenza di un gene, che in alcuni individui è presente in una forma mutata e responsabile di una specifica malattia, dal confronto tra le sequenze del gene normale e del gene mutato è possibile individuare qual è la tripletta alterata.