La PCR, o Reazione a Catena della Polimerasi

Non potevamo permetterci uno di quei robot da PCR, quindi abbiamo preso solo uno studente e una scatola di cartone.

La PCR. Ciclo n°1.

L’acqua è a pochi gradi dalla temperatura di ebollizione. A livello microscopico, tutto va a folle velocità. Le particelle d’acqua sbattono dappertutto come le palline impazzite di un flipper. Il DNA bersaglio non può resistere all'urto: i due filamenti si separano. Ma restano integri: ci vuole ben altro che un po' d'acqua bollente per distruggerli. Nell'eccitazione dei 95°C, la polimerasi mantiene la calma: si lascia tirare, premere, sballottare, sconquassare, ma rimane tutta intera.

Finito l'inferno, l'acqua resta calda: siamo a 60 gradi. Entrano in gioco i due primer, piccoli frammenti di DNA sintetico che devono guidare la polimerasi. Ancora un po' scossi dal tumulto dell'ebollizione, faticano qualche istante ad orientarsi. Ma ecco riconoscono i due filamenti del DNA bersaglio e ci si attaccano, uno su un fianco e uno sull'altro. La sequenza da copiare è stata riconosciuta: i primer le stanno addosso come due poliziotti.

Quando la temperatura si innalza verso i 72°C, i piccoli primer devono lottare con tutte le forze per restare attaccati ai filamenti di DNA bersaglio, che si dibattono cercando di sfuggire alla presa. I primer traballano, già quasi si perdono nel rinnovato turbinio di molecole d'acqua...ma ecco arrivano le polimerasi, che invece a questa temperatura si trovano a meraviglia, e iniziano a prolungare i primer, aggiungendo base dopo base di DNA. In pochi secondi, entrambi i filamenti del DNA bersaglio vengono duplicati. Arrivata in fondo al filamento, la polimerasi frena di colpo e resta per un attimo in bilico; poi perde l'equilibrio e cade, perdendosi di nuovo nel mare di reazione. Non importa, la missione è compiuta. La temperatura sta già salendo vorticosamente, e tra pochi istanti sarà di nuovo l'inferno.

Un altro ciclo di reazione comincia.

Fino a pochi anni fa, per fare genetica ci si arrangiava con pochi, preziosissimi strumenti. I batteri, per esempio. Per copiare un pezzo di DNA lo si infilava dentro un batterio, il quale, moltiplicandosi, riproduceva insieme al suo DNA anche quello che suo non era. Certo era un metodo ingegnoso, e (ogni tanto) funzionava pure. Ma era lento, lentissimo e poi i batteri puzzano da far schifo, e maneggiare quelle brodaglie maleodoranti era (ed è) una cosa disgustosa.

Durante gli anni '80 fu sviluppata e perfezionata la tecnica che pose le basi della moderna genetica: la PCR, o Reazione a Catena della Polimerasi, che permette di creare in poche ore miliardi di copie di qualsiasi pezzo di DNA. La PCR è una reazione ciclica, cioè composta da tre brevissime fasi che si ripetono in continuazione: dopo la fase uno viene la fase due, poi la fase tre e poi si ricomincia da capo. Il tutto per un numero di volte compreso di solito tra trenta e quaranta. La differenza in velocità e semplicità tra la PCR e i metodi precedenti, è più o meno come quella tra la stampa e internet: enorme.

Per capire come funziona una PCR, bisogna prima di tutto avere un’idea di come funziona il DNA. A voler essere irriverenti, il DNA non è tanto diverso da uno di quei souvenir di gesso, piuttosto kitsch, che si trovano nelle bancarelle per turisti: per esempio i David di Michelangelo che spopolano a Firenze tra cinesi, giapponesi e siciliani. Queste statuette in gesso vengono prodotte usando uno stampo. Se avete lo stampo, potete fare tutte le copie del David che volete. D'altra parte, avendo la statuetta, potete benissimo usarla per creare degli stampi. Questo è possibile perché la statua e lo stampo sono complementari: l’informazione contenuta nella statuetta è la stessa di quella presente nello stampo, solo, come dire...in negativo. Così è anche il DNA: i due filamenti che lo compongono sono uno lo stampo dell'altro.

Non assomigliano molto al David, ma il concetto è lo stesso. Dal sito del Weizmann Institute di Israele.

 

Problema numero due: chi si occupa del DNA? Senza la sua compagna di una vita (una vita lunga miliardi di anni), il DNA non sarebbe nulla. Non vi sorprenderà sapere che questa compagna, senza avere la notorietà del suo consorte, è tuttavia quella che fa (e ha sempre fatto) quasi tutto il lavoro. Il suo nome è DNA polimerasi. La sua storia è quella di un'antichissima, nobile famiglia di proteine, mantenutesi utili e indispensabili per tutto il corso dell'evoluzione, dai batteri fino agli uomini. Il suo lavoro è quello di andare lungo un filamento di DNA, piazzando una lettera dopo l'altra, per formare un altro filamento che è la copia del primo. Una copia complementare, ma non identica.

Adesso che è stata introdotta la polimerasi, resta da capire in cosa consista la reazione a catena. Mettiamo che un imprenditore cinese vada in vacanza a Firenze e torni in Cina con un bel David di gesso nella valigia, intenzionato a introdurlo nel mercato cinese. Come primo passo, a partire dalla statuetta, deve fare uno stampo (anche questo di gesso) che gli permetta di creare altri David. Quando il gesso è stato versato e lo stampo si è solidificato, lo separa dalla statuetta e lo poggia sul tavolo: adesso possiede UNA statuetta e UNO stampo. Di nuovo versa il gesso, usandolo per fare un altro stampo e un'altra statuetta. Quando il tutto si è solidificato, stacca i pezzi e li mette in fila uno accanto all'altro: adesso ha DUE statuette e DUE stampi.

Versare il gesso, aspettare che solidifichi, staccare i pezzi: ogni volta che completa questo ciclo di operazioni, il nostro cinese raddoppia il numero di statuette e di stampi. La reazione si dice a catena perché non consuma i suoi ingredienti (a parte il gesso), ma piuttosto li moltiplica. La crescita è esponenziale.

Se il David piacesse da morire, e tutti i cinesi volessero averne uno, come fare per produrne a sufficienza? Per produrre un miliardo di statuette basterebbe ripetere lo stesso ciclo di operazioni trenta volte. Solo trenta volte per rifornire l'intera (o quasi) popolazione cinese.

C'è bisogno di sottolinearlo? L'artefice di questo miracolo della moltiplicazione, il geniale imprenditore-turista cinese, altro non è che la DNA polimerasi.
  

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