Biologia molecolare

Che cos’è la biologia molecolare

Da Biologia= scienza che studia gli esseri viventi e Molecola= combinazione di due o più atomi, nasce la Biologia Molecolare, una scienza così denominata a partire dal 1939. Fu lo scienziato Warren Weaver il primo a coniare il termine mettendo insieme le due parole, cercando di identificare una branca della scienza che potesse studiare la biologia partendo dall’osservazione minuziosa di ciò che accade tra le molecole, ovvero gli atomi e le loro interazioni che scaturiscono meccanismi fisiologici.

Cenni storici

Nonostante il termine vero e proprio di biologia molecolare risalga al 1939, i lavori considerabili appieno nel significato di questa disciplina possono essere associati alla scoperta del DNA (acido deossiribonucleico) e della sua struttura mediante gli esperimenti effettuati nel 1953 da James Wattson e Francis Crick (Fig.1).

*Figura 1: Scoperta della struttura del DNA, James Wattson e Francis Crick [Fonte: https://storiografia.me/2013/10/25/compie-60-anni-larticolo-di-watson-e-crick-sulla-struttura-del-dna/]*

Gia da tempo si ipotizzava una molecola interna alla cellula, specializzata nella determinazione dell’informazione genetica e alla sua trasmissione ma il passo determinante fatto da Wattson e Crick fu determinare la struttura esatta e quindi la cosiddetta “doppia elica” composta da nucleotidi (Per approfondimenti: Il DNA, acido nucleico alla base della vita – scheda didattica).

Da quel momento in poi gli studi sono proseguiti e mai terminati. Gli aggiornamenti continui in materia, hanno determinato le successive svolte nella conoscenza approfondita della genetica, biologia, epigenetica e tutte le discipline coinvolte nella genomica. In base a questo dunque, nei primi anni si poteva ben discriminare la biologia molecolare dalle altre discipline ma nel tempo la sua “specializzazione” ha sconfinato i limiti rendendola una branca della scienza che si intreccia e si mescola profondamente con tantissime discipline affini.

Applicazioni della Biologia Molecolare

Attualmente la biologia molecolare è considerata una branca scientifica in grado di studiare e interpretare in modo dettagliato e minuzioso i fenomeni biologici. Addentrandosi quindi fino alle sostanze fondamentali che compongono la materia, raggiunge anche le più piccole molecole alla base della vita. Durante gli anni Settanta, la biologia molecolare ha avuto una grandissima espansione dovuta alle numerose scoperte che hanno dato spazio a tecniche molecolari ancora in uso. Le metodologie di maggior successo sono indubbiamente riconducibili all’ingegneria genetica” che si occupa della manipolazione del materiale genetico (DNA e RNA) a scopi terapeutici, diagnostici, di ricerca.

Nel 1990 la comunità scientifica ha iniziato un progetto collettivo, mondiale, volto al sequenziamento completo del genoma umano. Moltissime figure importanti della biologia e della genetica hanno sostenuto Il progetto “Genoma Umano“. Tra questi ricordiamo il genetista Renato Dulbecco, famoso premio Nobel nel 1975. Come da programma internazionale, al progetto hanno contribuito nel corso degli anni: Francia, Germania, Regno Unito, Giappone, Cina e India. La durata prevista era di 15 anni ma con due anni di anticipo fu pubblicato un primo lavoro completato nel 2006, quando uscì su Nature la sequenza dell’ultimo cromosoma umano.

Tra le applicazioni di biologia molecolare posiamo ricordare alcune delle tecniche più utilizzate:

Estrazione acidi nucleici (DNA; RNA)
Clonaggio di espressione
Blotting (Northern; Southern; Western;)
Elettroforesi
PCR
qPCR

Ulteriori approfondimenti:

Estrazione degli Acidi Nucleici

Tra le prime tecniche alla base della biologia molecolare, dobbiamo menzionare l’estrazione degli acidi nucleici (Figura 2) da materiale biologico. Sono tecniche frequenti nei laboratori di ricerca che ci permettono di acquisire il materiale genetico da un campione biologico qualsiasi. L’utilità dell’estrazione del materiale genetico è immensa: l’obiettivo può essere quello di conoscere la sequenza genetica di un’organismo, ottenere una proteina di interesse, condurre analisi forensi o manipolare il materiale genetico. In generale possiamo estrarlo per avere tutte le informazioni a riguardo ed utilizzarle per molteplici scopi.

Figura 2: Gli acidi nucleici: DNA a sinistra e RNA a destra (Fonte: https://www.chimica-online.it/biologia/differenza-tra-dna-e-rna.htm) — *Fig. 2: Gli acidi nucleici: DNA a sinistra e RNA a destra (Fonte: https://www.chimica-online.it/biologia/differenza-tra-dna-e-rna.htm*)

Approfondimenti

https://www.microbiologiaitalia.it/test-microbiologici/scienza-e-microbiologia-forense/

Clonaggio di espressione

Lo scopo del clonaggio è quello di inserire un gene di interesse in un plasmide (DNA circolare proveniente da un procariota) al fine di produrre una proteina di nostro interesse in grande quantità. Questa è stata un’evoluzione importante in campo scientifico che ha portato a notevoli risvolti medici. Infatti è utilizzato per produrre prodotti come:

ormoni
molecole utili per ripristinare carenze metaboliche
vaccini ricombinanti
molecole terapeutiche e tanto altro

Blotting

Si tratta di tecniche utili a rilevare nel campione biologico la presenza di proteine (western blotting) o acidi nucleici ( Southern e Northern). Il sistema si compone di una moltitudine di membrane al cui centro vengono alloggiati un filtro di nitrocellulosa o PVD a contatto con il gel (precedentemente ottenuto mediante elettroforesi). Il filtro di membrana sarà il risultante foglio su cui saranno trasferite le bande provenienti dal gel elettroforetico e ci servirà per ibridarlo con anticorpi specifici in grado di rilevare la nostra molecola di interesse. Al termine del processo, mediante reazione di una molecola fluorescente coniugata all’anticorpo secondario, potremmo apprezzare il risultato.

Western Blotting (Fig.3): utilizzato per rilevare una proteina specifica in una miscela precedentemente separata mediante elettroforesi su poliacrilammide.
Southern Blotting: tecnica utilizzata per isolare un frammento di DNA di interesse in una miscela complessa.
Northern Blotting: tecnica utilizzata per identificare una specifica molecola di RNA a partire da una miscela di RNA.

*Figura 3: passaggi principali del Western Blotting. [Fonte: https://www.antibodies.com/es/western-blotting]*

Elettroforesi

Tecnica analitica che permette la separazione di molecole cariche (Fig.4). Si può effettuare su proteine o su acidi nucleici ed è fondamentale in molte analisi di laboratorio ma anche in ambito di ricerca. Se utilizziamo l’elettroforesi per la separazione delle proteine, dobbiamo servirci di un gel costituito da poliacrilammide, un composto fatto da acrilammide e bis-acrilammide in grado di reagire e formare dei crosslink, definiti “maglie“. Lo scopo è quello di creare maglie di dimensioni stabilite affinché le proteine, sottoposte a campo elettrico, migrino verso il polo positivo passando attraverso le maglie stesse. Verranno in questo modo separate sia in base alla loro grandezza che alla carica.

*Figura 4: Apparato per separazione elettroforetica. [Fonte: http://www.bmscience.net/blog/tecniche-elettroforetiche-per-lo-studio-di-proteine-e-nucleotidi/]*

Se invece volessimo sottoporre ad elettroforesi un campione di DNA/RNA , dobbiamo utilizzare un gel di agarosio, un polisaccaride. A differenza della poliacrillammide le maglie che forma l’agarosio sono più ampie e permette la separazione di molecole di acidi nucleici in base alle dimensioni: molecole più piccole migreranno più velocemente e le troveremo in fondo al gel mentre molecole più grandi migreranno più lentamente e le troveremo nelle zone più apicali del gel.

PCR

Dall’inglese “polymerase chain reaction” (reazione a catena della polimerasi) fu una delle tecniche più innovative introdotte (Fig.5). Fu inventatata nel 1983 da Kary Mullis e lo condusse nel 1993 al premio Nobel per la chimica. La reazione a catena della polimerasi permette di amplificare (replicare ciclicamente) una specifica molecola di DNA di nostro interesse. Questo ci permette dunque a partire da un’unica molecola di DNA di ottenere miliardi di frammenti identici in pochissimo tempo.

Esiste una variante della classica PCR e viene chiamata “Real Time” o qPCR, una tecnica analitica che permette contemporaneamente all’amplificazione del frammento anche l’analisi quantitativa. Ci permette quindi attraverso una curva visibile sul pc la quantità di molecola presente nel campione in analisi.

*Figura 5: Reazione a catena della polimerasi, passaggi di amplificazione dello stampo. [Fonte: https://upbiotech.wordpress.com/2017/08/24/pcr-reazione-a-catena-della-polimerasi/]*

La figura del biologo molecolare

ll Biologo Molecolare è il professionista che attraverso un percorso di studi si specializza in questa disciplina scientifica. Il canonico percorso formativo prevede una laurea triennale in scienze biologiche e un proseguimento magistrale di due anni nella suddetta disciplina di Biologia Cellulare e Molecolare. Al termine del percorso formativo al fine di esercitare la professione è necessario sostenere l’esame di abilitazione ed iscriversi all’albo. Gli esami da sostenere sono molteplici e in triennale sono previste perlopiù materie di base che conferiscono allo studente solide basi in chimica, fisica, matematica, genetica, scienze animali e vegetali, biochimica e via di seguito.

Nel percorso magistrale è invece più approfondito l’aspetto appunto molecolare, dove, approfondendo le materie in parte studiate in triennale e in parte nuove, si raggiunge una competenza più specifica di tutti i meccanismi che coinvolgono le cellule nel complesso.

Il biologo molecolare nel mondo del lavoro

La figura del biologo molecolare è molto promettente nel futuro e questa branca della biologia permette notevoli sbocchi lavorativi. Tra le opportunità di lavoro ci si può addentrare nel campo della ricerca, acquisendo preferibilmente un dottorato di ricerca (percorso formativo post laurea magistrale); oppure prendere il ramo ospedaliero che richiede però un’ulteriore specializzazione ovvero il biologo dovrà sostenere un percorso di studi della durata di 4 o 5 anni (in base al ramo scelto) presso le scuole di alta specializzazione. Al termine di questo percorso, attraverso concorsi pubblici si può accedere alle strutture ospedaliere. In alternativa menzioniamo anche le molteplici strade aperte presso laboratori privati, che siano laboratori analisi o altri laboratori specializzati (come ad esempio cliniche di fertilità), il professionista potrà accedervi anche senza dottorato o alta specializzazione (qualora il laboratorio di competenza lo permetta) e tramite selezioni e colloqui diventarne dipendete.

Questa panoramica è solo una presentazione generale e ristretta di questa branca scientifica in quanto essendo davvero molto articolata e complessa ci sarebbero tantissimi altri dettagli da definire che possono variare in base ai casi specifici. Essendo una materia in grande espansione, i suoi limiti non sono più ben delimitati. La biologia molecolare riesce a sfociare e mescolarsi con tantissime altre discipline tanto che la sua estensione è diventata ormai enorme ed accessibile da molteplici vie.