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Dna: l'informazione digitale che rivoluzionerà la terapia clinica dei prossimi 50 anni

di Silvia Sorvillo

Dalla doppia elica alla medicina molecolare

5 febbraio 2003

Dal 1 al 5 Febbraio di quest'anno è stato celebrato, a Miami Beach, in Florida (USA), il 50° anniversario della più grande scoperta del XX secolo: la struttura a doppia elica del Dna. A presiedere il simposio, che ha riunito i trenta più grandi scienziati del mondo, è stato lo stesso James Watson, uno dei padri fondatori del Dna, la molecola che oggi, attraverso applicazioni successive, ha permesso lo sviluppo della genomica, della proteomica e della farmacogenomica. Queste tre discipline, che si basano essenzialmente sulla struttura del Dna, rivoluzioneranno la medicina dei prossimi 50 anni.

La doppia elica

Il 25 aprile del 1953 James Watson e Francis Crick descrissero e presentarono in un articolo su Nature, prestigiosa rivista di divulgazione scientifica, la loro grande scoperta: l'abbraccio di due filamenti di acido deossiribonucleico. La struttura molecolare che stavano cercando di identificareda anni, il Dna, era custodita all'interno del nucleo di tutti gli organismi viventi e da lì dirigeva tutti i processi cellulari. Per molto tempo gli scienziati sono stati affascinati da questa molecola. L'identificazione della sua struttura ha rivoluzionato il mondo scientifico. La scoperta del Dna ha oltrepassato i confini disciplinari e ispirato i settori più diversi della società nel secolo appena concluso. Molti artisti hanno celebrato e elogiato la molecola della vita, tra i tanti vale la pena ricordare Salvator Dalì con il Paesaggio con Farfalle, del 1958, e il poeta inglese Thomas Hardy che, con la poesia l'Eredità del 1917, ne ha immortalato il concetto prima degli stessi scienziati. Ancora oggi, a mezzo secolo dalla sua identificazione il Dna è al centro di dibattiti filosofici, culturali e storici.

In campo scientifico, la scoperta è stata ufficialmente riconosciuta con il conferimento del premio Nobel, nel 1962, ai tre padri della biologia molecolare: Francis Crick, James Watson e Maurice Wilkins. A questo proposito è con una nota di rammarico che Brenda Maddox ricorda nel suo articolo su Nature (gennaio 2003, n.241) come, a causa della misoginia diffusa nell'establishment scientifico dell'epoca, sia stata messa in disparte Rosalind Franklin, la giovane scienziata inglese che con le sue fotografie ai raggi X aveva prima degli altri identificato la natura strutturale della molecola.

Dalla biochimica alla genetica

La conoscenza della struttura del Dna, unità fondamentale dell'ereditarietà, ha fornito contemporaneamente le basi per la comprensione dei meccanismi di moltiplicazione, replicazione e autoriparazione. La diversità e l'evoluzione delle specie hanno trovato spiegazione attraverso l'apprendimento dei processi con cui la selezione naturale e il tempo modificano il Dna. Il primato evoluzionistico dell'uomo è stato ricalibrato con l'informazione dettata dalla sequenza del Dna.

Dna: modello di informazione digitale

Il Dna è formato da due filamenti costituiti da un'impalcatura di fosfati da cui sporgono quattro diverse basi azotate: l'adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) e la timidina (T). Ognuna delle basi presenti su un filamento abbraccia quella complementare che si affaccia sull'altro filamento, A con T e G con C. La complementarietà fa sì che i filamenti si avvolgano l'uno sull'altro, spiralizzandosi. Questa struttura, fatta di una successione ordinata e definita di basi, consente al Dna di portare due tipi diversi di informazione digitale: i geni che codificano le proteine, che sono la macchina molecolare della vita, e le reti regolatorie che specificano come questi geni sono espressi nella quantità, nel tempo e nello spazio.

Nel 1953 la scoperta della doppia elica ha posto immediatamente la questione di come l'informazione biologica è codificata nel Dna. La caratteristica più importante della struttura è che le quattro basi AGCT possono accoppiarsi in qualsiasi sequenza e dunque in un messaggio digitale o informazione. Negli anni 60 i ricercatori hanno scoperto che la sequenza dei geni, l'informazione digitale contenuta nel Dna, è letta e decodificata -trasformata- in proteine. Il dizionario delle lettere di Dna che produce gli aminoacidi è chiamato codice genetico, ogni tripletta di lettere corrisponde ad un aminoacido, la successione di aminoacidi origina le catene proteiche.

L'informazione digitale opera, nei genomi, attraverso tre diversi periodi di tempo: la fisiologia, da millisecondi a settimane, lo sviluppo, da ore a decine di anni e l'evoluzione, da dieci a milioni di anni. Lo sviluppo è l'elaborazione di un organismo da una singola cellula, l'uovo fecondato, ad un adulto; per la specie umana prevede una crescita che parte dallo zigote iniziale e arriva a 100.000 miliardi di cellule. L'evoluzione delle reti regolatorie, il secondo aspetto dell'informazione digitalizzata del Dna, ha poi reso possibile costruire organismi differenti l'uno dall'altro.

La biotecnologia

Le proteine svolgono compiti diversi, quelle che nella cellula funzionano per copiare tagliare e giuntare il Dna sono state utilizzate come strumenti chiave per realizzare, in laboratorio, le tecniche di biologia molecolare. Anche oggi, dopo circa trenta anni dalla loro scoperta, si usano le stesse proteine, chiamate più tecnicamente enzimi, per clonare, riprodurre e mappare i geni. La mappatura del genoma umano, evento storico dello scorso anno, è semplicemente la lettura del codice informativo contenuto nel Dna delle nostre cellule. Il Progetto Genoma partito ufficialmente nei primi anni 90, si proponeva di decifrare la sequenza completa del Dna umano in 15 anni. Un primo abbozzo di questa sequenza è già stata pubblicata l'anno scorso. Ci sono due diverse versioni ufficiali, una è quella del consorzio pubblico internazionale, l'altra è quella della compagnia biotecnologica privata di Craig Venter, la Celera Genomics.

Le innovazioni biotecnologiche, raggiunte nel 1985 con la scoperta della reazione a catena della polimerasi (Pcr) e con il sequenziamento automatico del Dna nel 1986, hanno permesso la lettura dei tre miliardi di basi che si susseguono lungo il filamento di Dna umano. Maestria tecnica e automazione intensiva hanno lanciato l'era genomica. Dal primo sequenziamento, realizzato nel 1970 da Walter Gilbert e da Fred Sanger, che riuscivano a leggere con il loro metodo solo qualche centinaia di basi, si è arrivati, oggi, alla lettura di 1,5 milioni di basi in 24 ore, circa seimila volte la velocità del prototipo.

L'era genomica:

Il sequenziamento e l'amplificazione della molecola di Dna hanno influenzato profondamente la scienza e la biologia, ma la loro più grande applicazione è stata realizzata sicuramente nel campo della medicina e della scienza forense. I polimorfismi, cioè le variazioni nella sequenza di Dna da un individuo all'altro, introducono il concetto di impronta digitale del Dna. Queste impronte, uniche e irripetibili per ogni individuo, sono una risorsa inestimabile per risolvere le dispute di paternità e i casi criminali più intricati. Gli scienziati sperano, in un futuro prossimo, di aumentare la resa delle macchine, la qualità dei dati e la riduzione del costo per unità di informazione. Attualmente sono in corso sperimentazioni di miniaturizzazione e automazione; integrando le diverse tecniche il sequenziamento è stato spinto nel campo della microfluidica e della microelettronica (microchip), prossima tappa sarà l'area nanotecnologica.

La rivoluzione clinica, nasce la farmacogenomica

La scoperta che la maggior parte dei polimorfismi del Dna siano associati con le malattie, o con la suscettibilità ad esse, ha introdotto la diagnostica molecolare nello studio e nella cura delle patologie. E' nato così il concetto di medicina predittiva, una medicina più affidabile dove il rischio di contrarre una patologia può essere identificato prima del manifestarsi dei sintomi. Oggi, alla luce delle nuove conoscenze genetiche, è molto più importante conoscere che specie di paziente ha una malattia piuttosto che quale specie di malattia ha un paziente. La conoscenza del genoma umano sta delineando una nuova tassonomia delle malattie che, sulla base della genetica e della medicina molecolare, è in grado di identificare rapidamente l'anormalità clinica, biochimica e patologica che è alla base della patologia. I vecchi criteri fenotipici, quelli per cui ad esempio si intuisce una patologia da una febbre, sono diventati obsoleti. Sapere che un disturbo clinico può derivare da più di un meccanismo cambierà completamente il rapporto del medico e del paziente con quella malattia, permetterà la scelta della terapia più appropriata e garantirà una prognosi più sicura.

La variabilità individuale della risposta ai farmaci e la loro diversa tossicità sui malati sono state, finora, un grave problema per la pratica clinica e per lo sviluppo delle nuove cure mediche. Ognuno di noi può presentare varianti genetiche che alterano il metabolismo, la risposta e la tossicità di un farmaco. La conoscenza di queste variazioni, oggi possibile attraverso l'impiego della biologia molecolare, permetterà di fornire al paziente una terapia adattata al suo caso specifico: una vera e propria terapia "su misura". Con la metodologia molecolare, la tecnica che ha prodotto proteine ricombinanti di grande utilità, come l'interferone, l'eritropoietina, l'insulina e gli anticorpi terapeutici, sarà possibile ottenere per ogni specifico difetto cellulare la proteina capace di ripristinare il corretto funzionamento. In un'era di grande incertezza dei sistemi sanitari mondiali, la crescente quantità di informazioni sulle sequenze di Dna e lo sviluppo esponenziale della tecnologia informatica, ipotizzato da Gordon Moore, fondatore di Intel, permetteranno di convertire l'informazione di sequenza in conoscenza. La scoperta della struttura del Dna ha iniziato, il secolo scorso, un lungo viaggio che è ormai prossimo alla tappa finale: l'unificazione delle scienze biologiche nell'emergente visione della biologia basata sull'informazione.

la genetica molecolare nella pratica clinica.

  • Criteri diagnostici meccanicistici
  • Selezione e analisi delle predisposizioni
  • Test diagnostico molecolare rapido dei patogeni
  • Farmacogenetica
  • Identificazione di nuovi bersagli per i farmaci
  • Strumenti per la medicina molecolare (per esempio, metodologia del DNA ricombinante)
  • Espressione ricombinante di proteine terapeutiche
  • Terapia genica
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Scienzità è stato realizzato da Silvia Sorvillo e Vittorio Sossi