DNA ricombinante: dalla biologia molecolare all’ingegneria genetica

Il DNA ricombinante, spesso abbreviato in rDNA, è un filamento di DNA prodotto artificialmente, formato dalla combinazione di due o più sequenze geniche.  Le prime pubblicazioni che descrivono il successo della produzione e della replicazione intracellulare del DNA ricombinante risalgono al  1972 e nel 1973 da parte della Stanford University  e della University of California.

Werner Arber, Hamilton Smith e Daniel Nathans hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1978 per la scoperta delle endonucleasi di restrizione che hanno migliorato le tecniche della tecnologia rDNA.

Nel 1980 Paul Berg professore presso il Dipartimento di Biochimica di Stanford ricevette il Premio Nobel per la Chimica per il suo lavoro sugli acidi nucleici “con particolare riguardo al DNA ricombinante”.

La tecnologia rDNA è utilizzata per manipolare e combinare frammenti di DNA provenienti da diverse fonti che consente l’inserimento di geni specifici negli organismi, rivoluzionando la biologia molecolare e la ricerca genetica. L’avvento di questa tecnologia ha rivoluzionato lo sviluppo della scienza offrendo nuove opportunità per produrre un’ampia gamma di prodotti terapeutici, modificando microrganismi, animali e piante per produrre sostanze utili dal punto di vista medico.

Questa tecnologia ha molteplici applicazioni e il potenziale per affrontare aspetti importanti come, ad esempio, aumentare le risorse alimentari infatti, in particolare in agricoltura, le piante geneticamente modificate hanno una maggiore resistenza agli agenti nocivi, danno un’alta resa del prodotto e mostrano una maggiore adattabilità e una sopravvivenza più lunga.

A differenza dei metodi tradizionali  le medicine tradizionali e la degradazione degli inquinanti attraverso tecniche convenzionali, l’ingegneria genetica utilizza strumenti e approcci moderni, come la clonazione e la trasformazione molecolare, che richiedono meno tempo e producono più prodotti affidabili.

La tecnologia dell’rDNA ricombinante prevede procedure per l’analisi o la combinazione di frammenti di DNA di uno o più organismi inclusa l’introduzione della molecola di DNA ricombinante in una cellula per la sua replicazione o l’integrazione nel genoma della cellula bersaglio.

I primi organismi geneticamente modificati erano batteri che producevano proteine ​​semplici di interesse farmaceutico, ad esempio l’insulina. Con il miglioramento delle tecnologie, altri organismi, comprese le piante, sono diventati suscettibili di miglioramento grazie alla tecnologia rDNA.

Fasi della tecnologia del DNA ricombinante

tecnologia del DNA ricombinante da Chimicamo
tecnologia del DNA ricombinante

La strategia di base nella clonazione molecolare consiste nell’inserire un frammento di DNA di interesse  come, ad esempio, un segmento di DNA umano in una molecola di DNA chiamata vettore  che è in grado di replicarsi in modo indipendente in una cellula ospite.

Nella tecnologia del DNA ricombinante nella prima fase questo gene di interesse è isolato da diverse risorse come le cellule vegetali e animali contenti altri composti che spesso agiscono come contaminanti e possono inibire la clonazione o il sequenziamento del DNA.

Inoltre, i tessuti e gli organi della stessa pianta o di piante diverse hanno una diversa composizione di metaboliti, ad esempio proteine, lipidi e carboidrati che devono essere separati dal DNA durante l’isolamento.

vettore da Chimicamo
vettore

Nella seconda fase il gene di interesse deve essere inserito in un vettore adatto ovvero qualsiasi molecola di DNA che ha la capacità di replicarsi all’interno dell’ospite a cui il gene di interesse si è integrato per la clonazione come plasmidi e batteriofagi.

Per l’inserimento del gene di interesse abbiamo bisogno di fare un taglio nel vettore usando un enzima di restrizione che sono enzimi in grado di effettuare tagli interni in siti specifici in una molecola di DNA. Dopo la fase di digestione è necessario separare il DNA genomico e ciò è in genere realizzato tramite elettroforesi su gel di agarosio  utilizzata per la separazione di frammenti di acido nucleico  in base alla loro dimensione.

I frammenti di DNA contengono ioni fosfato caricati negativamente e pertanto migrano attraverso i pori di un gel di agarosio verso l’estremità caricata positivamente quando viene applicata una corrente elettrica. I frammenti sono pertanto separati in base alle dimensioni infatti quelli più piccoli  migrano più velocemente. Dopo la separazione, le molecole i frammenti di DNA possono essere visualizzati sotto la luce UV dopo essere state colorati con un colorante appropriato.

Una volta che la sequenza di un particolare gene è nota tramite la DNA ligasi si ottiene una molecola di DNA risultante è un ibrido di due molecole di DNA: la molecola di interesse e il vettore. Un vettore di clonazione è una sequenza di DNA specializzata che può entrare in una cellula vivente e fornire mezzi per rilevare la sua presenza a un ricercatore conferendo una proprietà selezionabile alla cellula ospite come ad esempio la resistenza agli antibiotici e possedere mezzi per l’auto-replicazione.

L’enzima DNA ligasi viene utilizzato per sigillare insieme i frammenti di restrizione formando nuovi legami fosfodiesterici. Il vettore legato e il frammento di DNA possono ora essere trasformati in una cellula ospite per la replicazione e l’espressione.

Applicazioni della tecnologia del DNA ricombinante

applicazioni da Chimicamo
applicazioni

La tecnologia rDNA è utilizzata per la produzione di vari prodotti di interesse campo medico come, ad esempio, gli ormoni. Prima della scoperta di questa biotecnologia, l’insulina suina e l’insulina bovina venivano utilizzate per il trattamento del diabete, che causava anche reazioni allergiche nel corpo umano.

Oltre all’insulina, la somatropina  noto come ormone della crescita ricombinante è usato per trattare i disturbi della crescita. L’ormone follicolo-stimolante ricombinante e l’ormone luteinizzante ricombinante hanno avuto successo nel migliorare l’ovulazione e la gravidanza.

Pertanto, il trattamento di riproduzione assistita attraverso la stimolazione dello sviluppo follicolare è un risultato della tecnologia rDNA.
La tecnologia del DNA ricombinante ha reso possibile la costruzione di vaccini più sicuri e più convenienti poiché viene utilizzato solo l’antigene desiderato ovvero incapace di replicarsi o indurre la malattia invece dell’intero agente patogeno.

La vaccinazione a DNA comporta l’ inoculazione diretta di un plasmide batterico codificante per l’antigene per suscitare la risposta immunitaria. I vaccini a DNA possono stimolare l’induzione di risposte immunitarie sia umorali che cellulo-mediate, vitali per la protezione contro un’ampia gamma di agenti patogeni.

 

 

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