Introduzione alla struttura del DNA
Il termine DNA è l'acronimo di Acido Deossiribo Nucleico; strutturalmente il DNA è una lunga molecola formata da basi azotate, zuccheri ribosio e ponti fosforici. In alcuni organismi, tra cui i batteri, il DNA è circolare e pertanto non possiede estremità libere mentre in altri organismi, perlopiù eucariotici, la molecola è lineare, spiralizzata o diversamente organizzata in cromosomi. Se consideriamo i batteri, che sono procarioti, e gli eucarioti possiamo osservare che la localizzazione del DNA differisce dal punto di vista spaziale. I batteri non possiedono il nucleo perciò il DNA è in soluzione con il liquido citoplasmatico mentre gli eucarioti, che invece presentano il nucleo, possiedono il DNA, più o meno spiralizzato dentro la membrana nucleare. Un discorso a parte è da fare per i virus la cui informazione genetica è conservata sia nel DNA che nell'RNA; ad ogni modo i virus non possiedono nucleo ma soltanto un rivestimento esterno di natura proteica. Non esistono grandi differenze nella struttura del DNA tra procarioti ed eucarioti ad esclusione della dimensione, espressa in numero di basi per singolo filamento, e dai processi di utilizzo che spesso operano in modo molto diverso.
Il DNA è il materiale genetico di virus, batteri e cellule eucariotiche
Con le conoscenze scientifiche attuali è quasi superfluo definire il DNA come il materiale genetico caratteristico delle cellule e dei virus. Eppure la certezza di questa affermazione è stata garantita soltanto da pochi decenni; prima del superbo lavoro di Watson e Crick, e del loro team, mancavano le idee e gli strumenti per poter capire l'intimo funzionamento della cellula dal punto di vista della genetica e della trasmissione dei caratteri ereditari.
I primi esperimenti che indagarono circa la capacità di contenimento dell'informazione genetica all'interno del DNA risalgono alla prima metà del XX secolo; in quel periodo si comprese che il batterio Pneumococcus è capace di uccidere i topi. Successivamente si osservò che questo batterio possiede una molecola adesa alla sua membrana cellulare che ne determina la virulenza. La presenza della molecola, appartenente alla classe dei polisaccaridi, determina anche un aspetto morfologico della superficie stessa: l'espressione della proteina determina un batterio di tipo liscio o “S” (smooth) mentre l'assenza determina un tipo ruvido “R” (rough). Il tipo liscio è capace di uccidere il topo mentre il tipo ruvido non lo è.
Trattando il tipo liscio con il calore e iniettando il risultato del processo in un topo si notò che questo non moriva. Il calore aveva distrutto il batterio che era incapace di infettare i tessuti dell'ospite. Se, però, si iniettava una soluzione contenente il batterio liscio ucciso dal calore ed il batterio ruvido, che è incapace di uccidere, il topo moriva proprio come se fosse stato infettato con il tipo virulento. Questo dimostrava che c'era un principio trasformante capace di modificare un tipo di batterio non letale in un tipo letale. L'elemento fu subito purificato e si notò che era un acido deossiribonucleico.
Per dimostrare che il DNA è anche il materiale genetico dei virus (più avanti vedremo che c'è anche l'RNA) si utilizzò il fago T2. In linea generale il fago, o batteriofago, è un virus che infetta i batteri portando alla loro distruzione mediante lisi della membrana. Il fago T2 infetta Escherichia coli e la sua azione distruttiva avviene quasi immediatamente. Dopo circa mezz'ora dall'inserimento di una relativamente bassa quantità di T2 in una coltura di E. coli si osserva che il batterio lisa e rilascia la progenie di T2 che, nel frattempo, si è sviluppata.
Marcando preventivamente l'acido nucleico dei fagi T2 con uno fosforo radioattivo e utilizzando un isotopo radioattivo dello zolfo per le proteine si osservò che, a seguito dell'inoculazione in coltura di E. coli, gli involucri virali separati dai batteri avevano ricevuto circa l'80% dello zolfo marcato. Una simile quantità di fosforo radioattivo fu rivelata nella progenie e, pertanto, si dimostrava che ambedue gli elementi instabili erano stati incorporati sia nel rivestimento proteico sia nel DNA. Dopo la prima divisione lo zolfo radioattivo era presente in tracce mentre il fosforo radioattivo era valutabile in un quantitativo pari a circa il 30%. Mediante questo esperimento fu possibile determinare che anche il DNA è la molecola adibita alle funzioni di memorizzazione dell'informazione genetica.
Il DNA è anche il materiale genetico delle cellule animali. Per poter verificare questa affermazione si inoculò del materiale genetico estraneo all'interno di alcune cellule animali in coltura. I frammenti di DNA erano responsabili della sintesi dell'enzima timidina chinasi e si osservò che, dopo l'immissione del frammento, le cellule acquisivano la capacità di sintetizzare l'enzima in questione. La dimostrazione che il DNA è adibito al ruolo di vettore di informazione genetica è, anche in questo caso, fornita.