Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Perché un organismo non si riproduce sempre uguale a se stesso? Che cosa introduce novità nella storia della vita?
Un batterio si divide in due e genera due figli, che di solito sono identici al batterio che li ha generati: eppure qualche volta acquistano proprietà che questo non aveva, per cui risultano diversi dal genitore. Lo stesso fenomeno si verifica fra le piante e gli animali che si riproducono per via sessuale: maschio e femmina mescolano il proprio patrimonio ereditario, e il figlio porta un misto delle caratteristiche di padre e madre; ma a volte può capitare che presenti un carattere che non era presente né nei genitori, né nei loro antenati. Come mai?
Ben prima che Darwin aprisse la strada allo studio dell´evoluzione, ci si era accorti che possono comparire, nella storia della vita, caratteri che non erano presenti in precedenza: magari cambia leggermente la forma della foglia in una pianta di varietà ben nota; oppure cambia qualcosa nel piumaggio o nel becco di uccelli che hanno abitato per secoli una determinata zona. Gli agricoltori e gli allevatori sono stati attenti da sempre ad approfittarne: una spiga di frumento o di granturco che presentasse chicchi più abbondanti, o una mucca che fornisse più latte, venivano subito scelte per la riproduzione. Questi interventi umani hanno dato origine a molti miglioramenti delle piante coltivate e degli animali domestici, ma naturalmente potevano essere utili solo se i mutamenti osservati erano ereditari, cioè trasmissibili ai figli.
Darwin notò che questa esperienza degli agricoltori ed allevatori poteva aiutarci a spiegare perché avviene l´evoluzione. Rendeva anche ragionevole pensare che le somiglianze osservate fra gli uomini e gli animali più simili a noi, gli scimpanzé, potessero derivare dal fatto che in origine erano la stessa specie, ma si erano formate due linee diverse che erano evolute in organismi differenti. un´idea che poteva dispiacere a chi non ama gli animali, e addirittura essere ritenuta sacrilega da alcune religioni, mentre per altre era del tutto ovvio che discendiamo dagli animali. Però, se l´evoluzione è possibile perché almeno alcune delle differenze che nascono fra genitori e figli sono ereditate, questo significa che l´evoluzione può essere un fatto inevitabile. Così è, in effetti.
Rimase a lungo un mistero, comunque, che cosa determinasse questi minuscoli cambiamenti. Ci volle più di un secolo di ricerche per arrivare a capirlo. Come sempre accade nella scienza, ci si riuscì in più tappe.
Con un lavoro pazientissimo proseguito per oltre vent´anni, allevando e incrociando milioni di drosofile in una stanzetta della Columbia University di New York, Thomas Hunt Morgan e i suoi collaboratori avevano raccolto moltissimi ceppi che portavano piccoli cambiamenti, tutti perfettamente ereditabili, nella forma o nel colore di occhi, zampe, ali, torace e altri parti del corpo degli insetti. La loro ricerca era stata facilitata dalla scelta di un organismo facile da allevare: il moscerino della frutta o Drosofila.
Hermann Muller, un ricercatore del gruppo, poté dimostrare che ogni cambiamento si manifestava molto raramente ma con una frequenza particolare e riproducibile, e che veniva poi ereditato secondo le leggi formulate da Mendel, o che da queste potevano essere derivate in accordo con la teoria cromosomica dell´eredità, che ha valore più generale. Diciamo che, ad esempio, ogni duecentomila moscerini ne nasca uno con il corpo nero invece che giallo, e che uno su centomila possa nascere con gli occhi bianchi anziché rossi o di altro colore o forma. Questi numeri dipendono non solo dal tipo di cambiamento, ma anche dalla temperatura alla quale vengono allevati i moscerini: aumentano con la temperatura come in una normale reazione chimica. Muller dimostrò pure che la frequenza con cui appare una mutazione può essere aumentata di cento e più volte irradiando i genitori con raggi X o altre radiazioni, in un modo che ci dice (oggi) che la reazione chimica è influenzata da agenti ossidanti o che modificano altrimenti il DNA.
A cent´anni di distanza da quando ebbero inizio gli esperimenti di Muller, sappiamo molto sulla natura chimica e fisica del fenomeno, perché conosciamo la struttura della molecola del materiale ereditario, il DNA. Questi cambiamenti furono chiamati da Muller "mutazioni", un nome che già esisteva: era stato proposto al principio del secolo dal botanico olandese Hugo de Vries, uno dei riscopritori di Mendel, che però lo aveva impiegato per un fenomeno un po´ diverso, che con la mutazione come la intendiamo oggi non ha niente a che vedere.
Le osservazioni di Muller furono estese a moltissimi altri organismi e permisero di descrivere con esattezza in cosa consistano le mutazioni: si tratta di un cambiamento brusco, trasmissibile, casuale, spontaneo e raro del patrimonio ereditario. Brusco, perché si tratta di un cambiamento netto: per esempio, da genitori e antenati con le ali lisce nasce una drosofila con le ali arricciate. Fra i discendenti di quest´ultima compaiono moscerini con le ali arricciate allo stesso strano modo, per cui il cambiamento è trasmissibile. Una mutazione compare solo occasionalmente: è quindi un fenomeno raro. anche spontaneo e casuale? E qual è la sostanza che si trasforma?
Durante l´ultima guerra, due ricerche batteriologiche fecero luce sulla questione. Nel 1943 un genetista italiano, Salvador Luria, e un tedesco, Max Delbrück, entrambi rifugiati negli Stati Uniti per sottrarsi alla dittatura nei rispettivi paesi, appurarono che la mutazione presenta queste identiche caratteristiche anche nei batteri. Con un esperimento molto brillante, coltivando batteri in provetta ed esponendoli all´azione del batteriofago (un virus che divora i batteri, come dice il nome), Luria e Delbrück riuscirono a dimostrare che se alcuni batteri sviluppano resistenza al virus, che perde così la sua efficacia, questo non avviene perché siano stimolati dalla presenza del batteriofago e stiano tentando di difendersene, come si credeva fino ad allora. La ragione è semplicemente che avvengono comunque di continuo mutazioni di resistenza, come di tutti i tipi, anche in totale assenza di batteriofago, con una frequenza caratteristica ma molto piccola, e alcune di queste rendono il batterio insensibile all´azione del virus. Le mutazioni, cioè, si verificano prima che il batterio venga a contatto con il batteriofago, del tutto indipendentemente dalla presenza del batteriofago, e gli permettono di sopravvivere. Il contatto con il batteriofago si limita a selezionare mutazioni già avvenute, cambiamenti spontanei che hanno una frequenza ben riproducibile, alterabile come se si trattasse di una reazione chimica.
Queste conclusioni furono criticate perché tutti i batteriologi erano convinti che il cambiamento fosse indotto dal contatto con il batteriofago, ma furono confermate in seguito da altri esperimenti, che eliminarono ogni dubbio.
All´Istituto Rockefeller di New York tre americani, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclin McCarty, dimostrarono nel 1944 che cosa cambia materialmente in ogni mutazione: è la sostanza chimica responsabile dell´eredità, il DNA, un acido che si trova nei cromosomi. Sperimentando con batteri responsabili di numerose infezioni, gli pneumococchi, essi restituirono a un ceppo privo di virulenza la capacità di uccidere i topolini usati come cavie di laboratorio, mettendoli a contatto con il DNA, altamente purificato, estratto da un batterio virulento. Con un altro esperimento confermarono che la sostanza trasformante era proprio il DNA: trattandola con un enzima, anch´esso altamente purificato, che demolisce soltanto il DNA, dimostrarono che è effettivamente questa la sostanza che trasmette l´informazione ereditaria.
Ma come può il DNA portare il materiale ereditario? Vi era una vecchia nozione chimica che sembrava rendere impossibile questa affermazione. La struttura del DNA era stata descritta nell´Ottocento da un chimico tedesco, Friedrich Miescher: una molecola piuttosto piccola, composta di quattro unità dette nucleotidi: A, C, G, T. Con una struttura così semplice, come era possibile spiegare l´estrema complessità dell´eredità biologica? Occorse più di mezzo secolo per capire: la struttura proposta da Miescher era sbagliata. Era stata suggerita dall´osservazione che queste quattro sostanze si trovano in quantità all´incirca eguali nelle cellule degli animali superiori. Più avanti, all´inizio degli anni Cinquanta, si sarebbe scoperto che nei batteri, invece, si trovano in quantità molto diverse. Vi è però una regola fissa: C e G sono presenti in quantità eguali; anche A e T lo sono, ma in quantità diverse da C e G.
In realtà, nell´Ottocento non vi erano i mezzi per capire quanto grande fosse una molecola di DNA. Oggi sappiamo che è una molecola estremamente sottile ma lunghissima, lunga quanto un cromosoma srotolato. Il DNA ha forte tendenza a spiralizzarsi, formando spirali, spirali di spirali e gomitoli di spirali, che alla fine sono abbastanza spessi da divenire visibili al microscopio normale, ma sono a questo punto molto corti. La struttura della molecola fu dimostrata nel 1953 da un batteriologo americano allievo di Luria, James Watson, e dal fisico britannico Francis Crick. Divenne chiaro che può bastare che cambi anche una sola di queste sostanze, A, C, G e T, in un punto qualunque del DNA, per osservare una mutazione nell´organismo che la porta.
Questa scoperta ha cambiato radicalmente la biologia, e ci ha portato oggi ad una nuova era appena iniziata, quella del genoma. Che cosa ci attende in questo secolo? E come può essere che un minuscolo cambiamento chimico, spontaneo e casuale, la mutazione, sia responsabile di un fenomeno gigantesco come l´evoluzione di milioni di specie di organismi viventi?
(3 - continua)