Sia pure in forme rudimentali, le biotecnologie sono utilizzate fin dall’antichità, da quando si iniziarono a usare colture di lievito per produrre birra. La svolta che ha posto le basi per le moderne biotecnologie si è avuta con la scoperta della struttura del DNA, all'inizio degli anni ’50. Per capire come questa scoperta abbia aperto la strada alle terapie biotech, è utile una conoscenza di base del ruolo centrale che svolge il DNA nella salute e nelle malattie.

Qual è la funzione del DNA?

Il DNA è una molecola a spirale, molto lunga, che si trova nel nucleo, cioè nel centro di comando di una cellula, e custodisce il progetto completo per la costruzione e il funzionamento di una forma di vita, sia essa un microbo, un uccello o un essere umano. Le informazioni contenute nel DNA sono memorizzate in un codice composto da quattro elementi base, chiamati nucleotidi. Il loro ordine è simile a quello delle lettere che compongono parole e formano frasi. Nel caso del DNA, l'ordine dei nucleotidi forma diversi geni, ognuno dei quali contiene le istruzioni per una specifica proteina.

  • Come si produce una proteina?

    La produzione di proteine è un processo a più fasi, che comprende trascrizione e traduzione. Nella trascrizione, il codice originale del DNA per una specifica proteina viene riscritto su una molecola chiamata RNA messaggero (mRNA), che ha nucleotidi simili a quelli del DNA. Ogni gruppo successivo di tre nucleotidi forma un codone, o codice, per uno dei 20 diversi amminoacidi, che sono i mattoni delle proteine.

    Durante la traduzione, una struttura cellulare chiamata ribosoma si lega a un nastro di mRNA. Altre molecole, chiamate RNA di trasferimento, assemblano una catena di amminoacidi che corrisponde alla sequenza di codoni dell'mRNA. Le catene corte di amminoacidi sono chiamate peptidi, quelle lunghe, chiamate polipeptidi, formano le proteine.

  • Quali funzioni svolgono le proteine?

    Gli amminoacidi che formano una proteina interagiscono tra loro e queste complesse interazioni conferiscono a ciascuna proteina una specifica struttura tridimensionale, che a sua volta determina il funzionamento di una proteina e l'impatto su altre molecole. I tipi più comuni di proteine sono:

    • Enzimi, che uniscono o separano le molecole.
    • Proteine di segnalazione, che trasmettono messaggi tra le cellule, e recettori, che ricevono segnali inviati tramite proteine da altre cellule.
    • Proteine del sistema immunitario, come gli anticorpi, che difendono dalle malattie e dalle minacce esterne.
    • Proteine strutturali, che danno forma a cellule e organi.

    Dato il ruolo fondamentale che rivestono, le proteine vengono talvolta definite le molecole ‘cavallo di battaglia’ della vita. Quando però le proteine chiave non funzionano o sono assenti, il risultato è spesso una malattia.

Che cos’è l'ingegneria genetica?

L'ingegneria genetica è la pietra miliare delle moderne biotecnologie. Si basa su metodologie scientifiche, sviluppate negli ultimi decenni, che consentono ai ricercatori di:

  • Identificare il gene che produce la proteina di interesse.
  • Tagliare da un campione di DNA la sequenza che contiene il gene.
  • Inserire il gene in un vettore, come un plasmide o un batteriofago.
  • Utilizzare il vettore per trasportare il gene nel DNA delle cellule ospiti, come Escherichia coli (E. coli) o cellule di mammifero coltivate.
  • Indurre le cellule ad attivare il gene e a produrre la proteina desiderata.
  • Estrarre e purificare la proteina per uso terapeutico.

Quando vengono tagliati e incollati insieme segmenti di DNA per formare nuove sequenze, il risultato è definito DNA ricombinante. Una volta inserito nelle cellule, queste utilizzano lo schema modificato e il proprio apparato per produrre la proteina codificata dal DNA ricombinante. Queste cellule sono classificate come geneticamente modificate o transgeniche.

  • Strumenti dell'ingegneria genetica

    Per manipolare le cellule e il DNA, gli scienziati utilizzano strumenti presi in prestito dalla natura, tra cui:

    Enzimi di restrizione

    Sono enzimi naturali usati dai batteri come difesa per tagliare il DNA dei virus. Esistono centinaia di enzimi di restrizione specifici che i ricercatori utilizzano come forbici per tagliare geni dal DNA.

    DNA ligasi

    Questo enzima viene utilizzato in natura per riparare il DNA ‘rotto’. Può anche essere usato per incollare nuovi geni nel DNA.

    Plasmidi

    Sono unità circolari di DNA. Possono essere ingegnerizzati per trasportare geni di interesse.

    Batteriofagi (conosciuti anche come fagi)

    Sono virus che infettano i batteri. I batteriofagi possono essere ingegnerizzati per trasportare DNA ricombinante.

    L'ingegneria genetica consente di produrre molecole che sarebbe troppo complesso sintetizzare chimicamente. Ciò ha consentito di ottenere nuove importanti tipologie di terapie, come le proteine terapeutiche, alcune delle quali sono descritte di seguito. A queste si aggiungono anche le proteine utilizzate per sostituire o aumentare le proteine naturali di un paziente, soprattutto quando i loro livelli sono bassi o assenti a causa di una malattia. Possono essere utilizzate per il trattamento di malattie come il cancro, le malattie del sangue, l'artrite reumatoide, le malattie metaboliche e quelle del sistema immunitario.

Esempi di molecole geneticamente modificate

  • Gli anticorpi monoclonali sono una classe specifica di proteine terapeutiche prodotte dal sistema immunitario per colpire e distruggere ‘invasori’ estranei come batteri, virus e cellule tumorali.
  • I peptibody sono proteine ingegnerizzate, di durata più lunga di un anticorpo, che hanno l'attività biologica di un peptide.
  • I vaccini stimolano il sistema immunitario a fornire protezione, soprattutto contro i virus. I vaccini tradizionali utilizzano virus indeboliti o uccisi per stimolare l'organismo ad attaccare il virus vero e proprio. Con la biotecnologia si possono creare vaccini ricombinanti basati su geni virali.