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Conceptual Papers

Ingegneria genetica intenzionale – Un percorso di sfide cognitive e di euristiche di lavoro che declamano le aporie della costruzione della conoscenza e della tecnica

Ingegneria genetica intenzionale

Un percorso di sfide cognitive e di euristiche di lavoro che declamano le aporie della costruzione della conoscenza e della tecnica

Sara Palma, studentessa di biologia, Eugenia D’Alterio, biologa & Rinaldo Octavio Vargas, sociologo

■■ struttura molecolare dei geni: DNA

Nel numero precedente si è sostenuto che l’ingegneria genetica potesse offrire soluzioni più efficienti, affidabili, versatili, socialmente desiderabili e soprattutto più immediate rispetto ai cambiamenti genetici dovuti all’evoluzione intesa in termini darwiniani.[1] Ma come avviene, tecnicamente, la modificazione genetica intenzionale?

La definizione stessa di ingegneria genetica, processo mediante il quale materiale genetico (i mattoni dell’eredità) viene modificato in modo tale da rendere possibile la produzione di sostanze necessarie al compimento di determinate funzioni, non costituisce, però, una descrizione di come avviene questo processo. Nemmeno un esempio per chiarire la definizione risulta sufficiente a tratteggiarlo. Infatti, anche se diciamo che i biologi hanno imparato a trapiantare il gene che produce la luce delle lucciole in piante di tabacco, pur se con questa asserzione stiamo segnalando che la funzione di questo gene (la produzione di luce) è stata aggiunta all’elenco normale di funzioni delle piante di tabacco interessate dal processo di ingegneria genetica, ciò non espone il modello generale della modificazione genetica intenzionale. Tale descrizione è quello che questa breve argomentazione sulla modificazione genetica intenzionale intende dare.

Prima di addentrarci in questa spiegazione, che comporta considerare la STRUTTURA CHIMICA DEI GENI e la loro frammentazione, vale la pena segnalare che l’ingegneria genetica (o modificazione genetica intenzionale), nel senso moderno, è diventata possibile solo quando gli scienziati escogitarono un modello per documentare, a livello sperimentale, ciò che sembrava l’ipotesi più attendibile riguardo a ciò che fosse un gene.

Infatti, se l’ingegneria genetica consiste nel prelevare tratti di DNA (o geni) da un organismo e il loro inserimento in altri organismi (dove attuano la loro funzione considerata necessaria), pensare di frammentare un gene, che ad occhio nudo non è visibile, pone di rilievo interessanti aspetti della costruzione della conoscenza scientifica quale la necessità dei modelli, ovviamente con l’utilizzo di tecnologie avanzate prodotte dalla costruzione umana stessa: considerando che il primo microscopio ottico[2] permise la definizione di “cellula”, oggi con l’utilizzo di colorazioni cromatiche e microscopi ottici avanzati ed elettronici a scansione di strada ne è stata fatta tanta.

Prima del 1953, il termine “gene” veniva utilizzato per far riferimento ad un’unità attraverso la quale qualche caratteristica genetica era trasmessa da una generazione all’altra (leggi dell’ereditarietà). Allora i biologi parlavano, ad esempio, di un “gene” per il colore dei capelli, anche se in realtà non avevano idea di cosa fosse quel gene né di come si esprimesse.

Tale situazione cambiò radicalmente nel ‘53 quando il chimico Francis Crick e il biologo James Watson individuarono una spiegazione chimica di cosa fosse un gene. Entrambi identificarono la struttura chimica di grandi molecole complesse, presenti nelle cellule (nello specifico, molecole presenti nel nucleo cellulare per gli eucarioti e nel citoplasma per i procarioti), note come acido desossiribonucleico (DNA). Le ricerche di Crick & Watson documentarono, quello che oggi è accertato come il primo modello accurato della struttura del DNA, ovvero il modello a doppia elica, senza il quale, successivamente, la speculazione sulla modificazione genetica intenzionale sarebbe stata priva di fondamento.

Oggi sappiamo che il DNA è un ampio composto chimico, responsabile delle espressioni genetiche di un organismo, ossia è il custode della sua eredità genetica. Le molecole di DNA sono costituite da due lunghe catene di unità strutturali chiamate nucleotidi. Ogni nucleotide o unità strutturale del filamento stesso è a sua volta composto da una base azotata, un gruppo fosfato e uno zucchero a 5 atomi di carbonio (il desossiribosio). Ci sono quattro tipi di basi che entrano a far parte del nucleotide del DNA: due basi puriniche (adenina, guanina) e due basi pirimidiniche (timina, citosina).

È importante ricordare che gli accoppiamenti delle basi organiche del DNA non sono casuali, entrambe le basi azotate si legano mediante legami a idrogeno: l’adenina si lega rispettivamente con la timina (A-T) e la guanina con la citosina (G-C), in più la formazione dell’andamento elicoidale del DNA è generato dal diverso tipo di legami doppio per il legame A-T o triplo per il legame G-C.

La conseguenza immediata dell’appaiamento delle basi A-T e G-C lungo una catena implica anche la disposizione di basi sull’altra catena della stessa doppia elica; diciamo, quindi, che le basi organiche degli acidi nucleici sono complementari. Ad esempio, se la sequenza di basi di una catena è -G-C-A-T-G-G – per complementarietà l’altra catena dovrà essere –C-G-T-A-C-C-.

A questo punto del nostro ragionamento possiamo postulare che le SEQUENZE DI DNA VANNO A FORMARE UN’UNITÀ DI TRASCRIZIONE DETTA GENE. Ad ogni gene corrisponde così una sequenza specifica di basi. La conoscenza di ciò ha permesso l’identificazione di geni specifici e la loro particolare funzione biologica.[3]

Asserire che il DNA sia responsabile delle espressioni genetiche di un organismo o il custode della sua ereditarietà rimangono, però, dichiarazioni ancora astratte, nel contesto dell’argomentazione, per cui distanziandoci per un attimo dalla struttura chimica e dai suoi tecnicismi e spostandoci più apertamente al livello cognitivo, guardando metaforicamente alla questione, possiamo dire che conoscere la struttura del DNA è come conoscere un LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE per trascrivere l’informazione.

Le scoperte portate a termine da Crick & Watson relative alla struttura del DNA aprirono possibilità illimitate per i biologi. SE I GENI SONO COMPOSTI CHIMICI, ALLORA POSSONO ESSERE MANIPOLATI COME QUALSIASI ALTRO TIPO DI COMPOSTO CHIMICO.

Poiché le molecole di DNA sono molecole molto ampie e complesse, il compito della manipolazione rimane ancora problematico. Tuttavia, i principi coinvolti nel lavoro con le molecole di DNA, e quindi dei geni, non sono poi diversi da quelli familiari ai chimici. A titolo di esempio, i chimici sanno come “smontare” le molecole nelle loro unità e rimetterle di nuovo insieme. Quando queste procedure sono utilizzate con molecole di DNA, il processo è noto come “GENE SPLICING”.

In realtà, questo processo di smontare e ricomporre dei geni avviene naturalmente e continuamente nelle cellule. Nei processi di divisione e riparazione, le cellule, devono normalmente “scomporre i geni”, riorganizzare i loro componenti per poi rimetterli di nuovo insieme.[4] Studiando questi processi, gli scienziati hanno “documentato” (cioè, “scoperto”, come vuole l’ideologia dell’uomo singolo come soggetto del mondo) che le cellule contengono alcuni tipi di enzimi che “smontano” molecole di DNA e le rimettono insieme ad esempio:

• Le endonucleasi scindono una molecola di DNA, nello specifico, un polinucleotide in due polimeri o sub unità;

• Le esonucleasi ne distaccano il nucleotide terminale;

• Le ligasi, infine, congiungono due segmenti di DNA precedentemente separati durante una trascrizione o duplicazione del DNA stesso.

Dovrebbe essere chiaro, quindi, che enzimi simili a quelli coinvolti in questi processi (di autoassemblaggiopossono essere utilizzati dai ricercatori come forbicisubmicroscopiche o come collanti” con i quali una o più molecole di DNA vengono “smontate” nei loro componenti chimici, modificate nelle loro sequenze e ricreate con nuove informazioni.

Le aporie della costruzione della conoscenza e della tecnica sono, però, molte così come dimostrano le procedure di ingegneria genetica.

■■ procedure di ingegneria genetica intenzionale

L’ingegneria genetica si serve, dunque, di tre elementi fondamentali: una copia del gene da trasferire, una cellula ospite in cui viene inserito il gene e un vettore per realizzare il trasferimento.

Il primo passo è ottenere una copia del gene portatore dell’informazione necessaria. Una volta ottenuta una copia del gene (dal DNA umano o altra fonte), tramite i cosiddetti enzimi di restrizione, la seconda fase del processo è quella di inserire il gene nel vettore. Il termine vettore è da intendersi come qualsiasi organismo che porterà il gene da un luogo all’altro. Il vettore più comune utilizzato in ingegneria genetica è una forma circolare di DNA conosciuta come plasmide. Le endonucleasi sono usate per scindere la molecola del plasmide, apribile a quasi qualsiasi punto scelto dal ricercatore. Una volta che il plasmide è stato aperto, il gene viene alloggiato e unito con un enzima ligasi. Lo scopo è fare in modo che il gene portatore dell’informazione desiderata si attacchi al plasmide prima che il plasmide si richiuda. Il plasmide ibrido (vettore) ora contiene il gene il cui prodotto è desiderato. Esso può essere inserito nella cellula ospite, di solito un batterio, dove inizia a funzionare come tutti gli altri geni presenti nella cellula. In questo caso, però, oltre alle normali funzioni batteriche, la cellula ospite produrrà, anche, la sostanza necessaria al compimento di determinate funzioni, come indicato dal gene inserito.

Il processo descritto coinvolge, concettualmente, niente di più che scindere molecole di DNA e ricombinarle in una sequenza diversa. Per questo motivo, il processo viene anche denominato come ricerca ricombinante del DNA (rDNA).

Questa sommaria descrizione del processo tralascia, però, le difficoltà in esso celate, ad esempio, quali aporie sono state affrontate per giungere a copiare un gene.

Sebbene già alla fine degli anni’60 dello scorso secolo le tecniche per tagliare e saldare il DNA si erano perfezionate, i ricercatori erano lontani da un metodo per copiare artificialmente il DNA in modo da ottenere quantità sufficienti per lavorarci.

Un cambiamento ci fu nel ‘70 quando alcuni ricercatori, studiando il fenomeno del splicing (montaggio), una sorta di modificazione del nascente pre-mRNA che avviene insieme e dopo la trascrizione, misero a punto un processo denominato la “trasformazione batterica” che consiste nell’incorporare piccole molecole circolari di DNA all’interno di batteri, come Escherichia Coli. Da qui è stato normale pensare a un modo per sfruttare la trasformazione batterica come mezzo per clonare il DNA. Infatti, la questione della copia del gene da trasferire è legata inseparabilmente alla questione della cellula ospite. Tuttavia, sono pochi i generi batterici che sono naturalmente trasformabili (come Streptococcus, Bacillus e Haemophilus) e, inoltre, in una popolazione di batteri solo una frazione di cellule è trasformabile, tale frazione delle cellule è detta “competenza”.

Riepilogando, per copiare il gene ci vuole non solo ottenere l’informazione da trasferire ma anche disporre della cellula ospite e ciò comporta la trasformazione batterica come mezzo per clonare il DNA. Inoltre, non tutti i batteri sono suscettibili di trasformazione e in quelli in cui essa è possibile solo una frazione di cellule è trasformabile. Vediamo, allora, come rendere trasformabili e competenti i batteri.

Prendiamo, ad esempio, il batterio più comunemente usato in laboratorio in esperimenti di clonaggio molecolare: l’Escherichia coli. Per poter utilizzare E. coli come vettore si deve introdurre nelle cellula del batterio uno stato di competenza. Per far sì che questo avvenga, questo stato deve garantire al DNA da clonare di attraversare la parete e la membrana plasmatica e penetrare quindi all’interno della cellula batterica ospite, dove il gene può essere espresso e replicato. In laboratorio esistono varie tecniche per rendere competenti le cellule batteriche. Uno dei metodi più semplici per rendere le cellule di E. coli competenti (ovvero, transitoriamente permeabili al DNA) consiste nel coltivare i batteri in un terreno liquido, raccogliere le cellule mediante centrifugazione, sospenderle in una soluzione di i CaCl2 fredda e mantenere la sospensione cellulare per almeno un’ora in ghiaccio. Dopo questo trattamento, le cellule di E. coli sono in grado di acquisire DNA a doppio filamento (come il DNA plasmidico). Non sono comprese del tutto le ragioni che rendono competenti le cellule di E coli: si ipotizza che l’ingresso del DNA nelle cellule sia favorito, oltre che dallo shock termico, anche dalla presenza degli ioni bivalenti positivi di Ca++ che vanno a mascherare le cariche negative del DNA (si ricordi, infatti, che il DNA è una macromolecola con un’ alta densità di cariche negative).

Con tale procedura si ottengono efficienze di trasformazione, dell’ordine di 105-6 trasformanti/microgrammo di DNA plasmidico, un valore più che sufficiente per molti scopi. Tuttavia, quando si effettua un esperimento di clonaggio molecolare tramite trasformazione, non tutti i batteri vengono trasformati, ma é indispensabile poter distinguere le cellule batteriche trasformate da quelle non trasformate. Ciò è reso possibile ricorrendo all’uso dei cosiddetti “marcatori selettivi”. Ma a cosa servono questi marcatori?

A titolo di esempio, supponiamo che si vuole inserire il gene per produrre insulina umana ricombinante in una cellula batterica. A tale fine, come segnalato, le tecniche di clonaggio molecolare dell’ingegneria genetica richiedono l’utilizzo di tre elementi principali: i vettori di clonaggio, enzimi di restrizione e la ligazione.

In passato l’insulina rappresentò il primo prodotto commerciale dell’industria biotecnologica: invece di utilizzare quella estratta dal pancreas di maiale o di vitello (per cui il paziente era a rischio di infezioni) oggi il diabetico può ricevere un’insulina identica a quella normalmente prodotta dall’uomo. Come? Il primo passo è ottenere una copia del gene portatore dell’informazione necessaria per la sintesi dell’insulina. Una volta ottenuta una copia del gene (dal DNA umano o altra fonte), tramite i cosiddetti enzimi di restrizione, la seconda fase del processo è quella di inserire il gene dell’insulina nel vettore che serve proprio per clonare il gene voluto. Esistono molteplici vettori di clonaggio, di seguito ciò che li accomuna:

• sono generalmente di piccole dimensioni;

• sono facilmente estraibili dalle cellule e quindi purificabili;

• possiedono un cosiddetto marcatore selettivo (per selezionare i batteri che hanno incorporato il plasmide ricombinante, normalmente, si utilizzano come marcatori selettivi geni che conferiscono resistenza ad un antibiotico specifico, ossia la capacità di crescere in presenza dell’antibiotico stesso. Ovviamente le cellule batteriche che non contengono il plasmide che porta il gene per la resistenza ad un antibiotico specifico saranno incapaci di crescere nel terreno di cultura che lo contiene);

• sono capaci di replicarsi autonomamente (ossia in modo indipendente dalla replicazione del cromosoma della cellula ospite) e posseggono una zona in cui può essere inserito il DNA esogeno (zona detta polylinker).

Detto ciò esistono vettori come batteriofagi, cosmidi e cromosomi artificiali anche se il vettore più comune utilizzato in ingegneria genetica è una forma circolare di DNA conosciuta come plasmide. [5]

Ripetiamo le fasi: le endonucleasi sono usate per scindere la molecola plasmide, ad un punto scelto dal ricercatore. Una volta che il plasmide è stata aperto, il gene dell’insulina viene alloggiato e unito con un enzima ligasi prima che il plasmide si richiuda. Il plasmide ibrido ora contiene il gene il cui prodotto (insulina) è desiderato. Esso può essere inserito nella cellula ospite, di solito un batterio, dove il gene inizia a funzionare come tutti gli altri geni presenti nella cellula.

Queste brevi note sulle procedure dell’ingegneria genetica intenzionale, ci calano in un percorso di sfide cognitive e di euristiche di lavoro che declamano le aporie della costruzione della conoscenza e della tecnica. Certamente, poiché questa conoscenza e questa tecnica, in conformità con l’ordinamento giuridico economico delle nostre società di libero mercato, sono proprietà privata degli investitori del settore, che ne detengono il controllo, ciò apre ad un’altra argomentazione: la fruizione sociale dell’ingegneria genetica intenzionale. Allora, non possiamo esimerci dal chiederci: “Chi ingegnerizza e cosa? A quale prezzo e a favore o sfavore di chi sono state, sono e saranno le possibilità schiuse dall’ingegneria genetica in ogni reame dei viventi? Come affrontare gli scenari che inaugura l’ingegneria genetica in termini del controllo sociale di questa conoscenza e tecnica? Inevitabilmente, ciò ci rimanda alla questione sulla quale, reiteratamente, richiamiamo l’attenzione: il bio-potere e il “distratto” ordinamento sociale che lo legittima.

Nel corso degli ultimi decenni si sono succedute numerose proposte di classificazione dei viventi come si può vedere nella tabella (sopra). Le più moderne hanno introdotto la divisione in due o tre Domini. La classificazione di Woese è stata introdotta nel 1990 sulla base dell’analisi del rRNA della sub unità minore del ribosoma. Fonte: http://www.didascienze.it/la_divisione_dei_viventi.html


[1] La trascrizione del DNA rappresenta il primo passaggio nel trasferimento dell’informazione. La trasformazione delle informazioni genetiche richiede due passaggi la trascrizione del DNA in mRNA e la traduzione dell’mRNA in una sequenza amminoacidica (polipeptide).

[2] È importante ricordare che i legami a idrogeno che legano ogni coppia di filamenti di DNA(in una doppia elica) sono legami deboli e quindi necessitano di poca energia cellulare per poter essere rotti, mentre i legami tra ogni nucleotide che formano il filamento sono legami forti proprio per garantire che il messaggio genetico non venga incidentalmente modificato nei processi cellulari di duplicazione e di trascrizione.

[3] Gli enzimi di restrizione, scoperti da Werner Arber nel 1962, sono delle vere e proprie “forbici molecolari” ovvero sono proteine in grado di tagliare il DNA. Arber dimostrò, infatti, che il batterio E. coli possiede un sistema immunitario enzimatico in grado di riconoscere e distruggere il DNA estraneo, e di modificare il DNA nativo per impedirne la degradazione. Arber ed i suoi colleghi (Daniel Nathans e Hamilton Smith) chiamarono questo gruppo di proteine enzimi di restrizione, e nel 1978 ricevettero il Premio Nobel in medicina per la scoperta. Essi mostrarono, inoltre, che l’attività di questi enzimi è controllata: ciascun enzima infatti possiede una propria sequenza bersaglio (detta anche sequenza consenso o sito di restrizione), che riconosce e taglia.

[4] La trascrizione del DNA rappresenta un evento chiave per l’espressione dei geni tanto nelle cellule procariotiche quanto in quelle eucariotiche. In una serie di eventi enzimaticamente favoriti, la catena di DNA stampo viene copiata in una catena di RNA complementare. Senza l’aiuto degli enzimi non sarebbe in alcun modo possibile operare la trascrizione. L’enzima RNA polimerasi presente sia nei procarioti che negli eucarioti (con alcune differenze strutturali e funzionali) è la molecola chiave della trascrizione proprio perché assieme ad enzimi attivatori e repressori interagiscono col DNA per regolarne l’inizio della trascrizione stessa.

[5] I plasmidi consistono in piccoli frammenti circolari di DNA e sono considerati gli strumenti ideali per incorporare i geni nei batteri. Per inserire la sequenza genica i plasmidi vengono incisi con gli stessi enzimi di restrizione usati nella prima fase, enzimi che fungono da “forbici” per tagliare l’anello in determinati punti. Successivamente l’anello viene risaldato con l’enzima ligasi e il plasmide ricombinato viene poi inserito nel batterio. Il gene umano dell’insulina così diventa parte del patrimonio genetico del batterio (batterio che risulta geneticamente modificato e quindi denominato transgenico). Il batterio a sua volta cresce e si divide sintetizzando anche le proteine umane , nel caso dell’insulina umana, riconoscendo l’informazione genetica come propria, così accade per altri organismi transgenici unicellulari del regno animale e vegetale (i frammenti di DNA circolare plasmidico trovati naturalmente nelle cellule batteriche, separati dal cromosoma batterico e più piccoli di questo, sono

in grado di passare velocemente da una cellula all’altra, anche quando si tratta di cellule di specie diverse, lontane da un punto di vista evoluzionistico). Per questo i plasmidi sono utilizzati come vettori del DNA permettendo che questo si replichi sfruttando il sistema di replicazione delle cellule batteriche).

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