Biologia molecolare: in cosa consiste questa disciplina?

La biologia molecolare, insieme alla biochimica e alla genetica, stabilisce una serie di relazioni interdisciplinari che sono essenziali per ottenere conoscenze scientifiche. Vi raccontiamo i suoi fondamenti e le sue pratiche più utilizzate.

Scritto e verificato el biólogo Samuel Antonio Sánchez Amador.

Ultimo aggiornamento: 25 maggio, 2023

La biologia molecolare è una disciplina scientifica all’interno della biologia che si occupa di studiare i processi che avvengono negli esseri viventi da un punto di vista molecolare. Cioè, la parte più piccola di una sostanza chimica che conserva le sue proprietà.

Il Progetto Genoma Umano, lanciato per mappare tutti i geni della nostra specie, fornisce la seguente definizione di biologia molecolare: “Lo studio della struttura, della funzione e della composizione di molecole biologicamente importanti”.

Si tratta di molecole. Entriamo in un mondo sconosciuto a molti, tra termini entusiasmanti che fondano le loro basi, nella maggior parte dei casi, su concetti astratti invisibili all’occhio umano.

Le due macromolecole della vita

Secondo la rivista Nature, la biologia molecolare, più che uno strumento, è un approccio, quello il cui obiettivo è cercare oltre le manifestazioni biologiche osservabili su larga scala. Per fare questo, i biologi molecolari si affidano allo studio di due macromolecole essenziali. Ve lo diciamo di seguito.

Biologia molecolare e DNA

Il DNA o acido desossiribonucleico è la macromolecola della vita, perché al suo interno contiene le istruzioni genetiche utilizzate nello sviluppo e nella crescita di tutti gli organismi viventi. È anche responsabile della trasmissione ereditaria o, che è lo stesso, dell’evoluzione della specie nel tempo.

Possiamo vedere il DNA come una sorta di “biblioteca”, poiché al suo interno i nucleotidi sono associati in un certo ordine. Queste subunità, unite da legami fosfodiestere, danno origine al singolo filamento di DNA. Questa catena, intrecciata ad un’altra in modo antiparallelo, forma la doppia elica.

A sua volta, ogni nucleotide contiene una base azotata che gli dà il nome. Questi possono essere i seguenti: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e, nel caso del DNA, timina (T). L’ordine delle basi azotate nella catena del DNA genera diverse “frasi”, quelle che codificano le proteine che danno origine alla struttura e alla funzione degli organismi.

proteine

Cambiamo un po’ la terza, poiché la seconda macromolecola su cui si basa la biologia molecolare è la proteina. Le proteine sono costituite da amminoacidi, che sono codificati nelle “frasi” che si formano ogni tre paia di basi del DNA. Facciamo un esempio:

ACC→ citosina (C), citosina (C), adenina (A)→ Prolina

Pertanto, il segmento di DNA con i nucleotidi disposti in modo CCA codificherà per la sintesi dell’aminoacido prolina. Attraverso la trascrizione e la traduzione, processi che esulano dalla portata di questo spazio, l’RNA consente il trasporto delle istruzioni del DNA ai ribosomi, dove vengono assemblate le proteine.

Pertanto, le proteine sono polimeri formati da un’associazione di amminoacidi in un ordine specifico. La sua funzione è strutturale, bioregolatrice e di difesa immunitaria. Come dato interessante, diremo che le proteine rappresentano circa il 50% del peso secco della maggior parte dei nostri tessuti.

Discipline scientifiche affini

Abbiamo già descritto le due principali molecole di studio della genetica molecolare, ma quali altre discipline ti accompagnano nella ricerca della conoscenza? Te lo mostriamo.

Biochimica e biologia molecolare

La biochimica è una branca della scienza che studia la composizione chimica degli esseri viventi, in particolare proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici. A differenza della biologia molecolare, si concentra maggiormente sui processi metabolici che questi composti subiscono nei corpi degli esseri viventi.

Un esempio di ciò sarebbe la descrizione della sintesi del glucosio dal glicogeno. Questa scienza è incaricata di studiare gli enzimi coinvolti in questo processo e tutti i prodotti intermedi che rendono possibile la reazione completa. Per così dire, “mappa” il metabolismo degli esseri viventi.

Genetica

Quando il DNA è coinvolto nello studio di qualsiasi campo scientifico, è richiesta la genetica. La disciplina cerca di capire come l’eredità biologica viene trasmessa di generazione in generazione attraverso il DNA. Tenta di prevedere in che modo le mutazioni, i singoli geni e le loro interazioni influenzano il fenotipo degli esseri viventi.

Caratteristiche della biologia molecolare

Abbiamo già descritto le due macromolecole di studio ei due rami della scienza accessoria che aiutano la biologia molecolare ad ottenere le conoscenze su cui si basa. Anche così, dobbiamo ancora inquadrare in modo più tangibile ciò che i professionisti fanno realmente in questa materia. Vediamo alcuni esempi:

• Indagare insieme alla genetica: la struttura, la funzione e la regolazione esercitata dai geni sull’organismo.
• Studia le strutture: dei corpuscoli cellulari e le loro funzioni all’interno di ogni tipo cellulare: mitocondri, nucleo, ribosomi e altri.
• Indagare insieme alla biochimica: la cinetica e la composizione degli enzimi.
• Studia la composizione dettagliata di alcune molecole: in diverse specie di esseri viventi. Conoscenza che supporta il ramo della filogenetica.
• Spiegare il comportamento biologico delle macromolecole all’interno della cellula: descrivere quindi le funzioni fisiologiche di un essere vivente sulla base di questa conoscenza molecolare.

Questa giovane scienza, coniata come disciplina scientifica ufficiale negli anni ’30, è in espansione e in continua crescita. Nuovi metodi di ricerca ci consentono sempre più di descrivere processi sottostanti invisibili all’occhio umano. Naturalmente, il lavoro della biologia molecolare è appena iniziato.

Principali tecniche di biologia molecolare

Abbiamo gettato le basi, ma ci resta tutta la pratica: è ora di lanciarsi nel campo delle tecniche e degli strumenti che permettono di ottenere tutta questa conoscenza. Qui presentiamo le principali tecniche utilizzate dalla biologia molecolare.

1. Elettroforesi

Secondo il National Human Genome Research Institute (NIH), l’elettroforesi è definita come una tecnica utilizzata in laboratorio per separare DNA, RNA o proteine in base alla loro dimensione e carica elettrica.

La maggior parte delle molecole sono cariche elettricamente e quindi si muovono in un campo elettrico a una certa velocità. Applicando una corrente elettrica a questi campioni, posti su una carta o su un gel, si produce una netta separazione. Le molecole più piccole si muovono più velocemente attraverso il mezzo verso il polo che le attrae, mentre quelle più grandi restano indietro.

Questa differenza di velocità attraverso la porosità del gel o della carta consente agli scienziati di osservare una serie di bande nel mezzo che forniscono informazioni rilevanti. Ad esempio, puoi scoprire la dimensione dei segmenti di DNA sconosciuti se hai un modello di bande precedente.

2. PCR

La regina delle tecniche. Conosciuta come la reazione a catena della polimerasi, la PCR consente ai ricercatori di amplificare frammenti molto piccoli di DNA. Cioè, crea un gran numero di copie di un segmento specifico in breve tempo.

Questo può aiutare, ad esempio, a diagnosticare una malattia. Se il materiale genetico di un virus viene trovato in un campione prelevato da un paziente, quando viene amplificato può essere rilevato molto più facilmente con altre tecniche successive.

3. Alterazione delle proprietà genetiche

Per quanto possa sembrare sorprendente, la biologia molecolare ha permesso agli esseri umani di introdurre nuovi geni nelle cellule di organismi che non li avrebbero. Ciò, ad esempio, consente ai ricercatori di apprendere come l’espressione di un gene influisce sull’organismo o di creare una fabbrica di proteine, che è codificata dal gene introdotto.

È il caso dell’insulina, poiché il gene che l’ha codificata è stato introdotto nell’uomo in un ceppo di E. coli e, da lì, potrebbe essere effettuata la produzione in serie dell’ormone, grazie a questi batteri modificati per l’insulina dei diabetici.

Alcune applicazioni pratiche della biologia molecolare

Il tour della biologia molecolare si concluderà con alcune applicazioni pratiche in varie industrie ad uso umano. L’azienda IBIAN Technologies ci mostra i vantaggi di questa scienza in modo chiaro e conciso. Ecco alcuni esempi:

• Creazione di piante transgeniche: quelle che possono essere resistenti a determinate malattie, mostrano una maggiore adattabilità ad ambienti difficili o hanno un valore nutritivo potenziato.
• Crescita accelerata: di alcune specie di interesse agrario.
• Miglioramenti genetici nei ceppi batterici: che li fanno sintetizzare aminoacidi, vitamine, vaccini e un gran numero di composti per uso umano.
• Produzione di farmaci: più efficaci che, a loro volta, hanno meno effetti avversi.

Come si vede, la conoscenza della biologia molecolare non rimane sulla carta. Conoscere il comportamento biologico delle molecole all’interno delle cellule ha permesso all’uomo di modificare alcuni processi chiave in vari esseri viventi, il che si traduce in benefici medici ed economici.

Il futuro è nelle mani della scienza

Come abbiamo voluto esprimere in queste righe, ci è chiaro che la biologia molecolare, insieme a molte altre discipline scientifiche, è il futuro della scienza. Attraverso lo studio del DNA, delle proteine e di altre molecole, questa branca della biologia ha portato e porterà a molti progressi fondamentali per il miglioramento della società moderna.

Il concetto più rilevante di tutto quanto sopra è il seguente: la biologia molecolare è un approccio che cerca di descrivere i processi fisiologici degli esseri viventi sulla base delle molecole che li formano. Da qui il limite è il cielo o, in questo caso, il genoma stesso.