Se un gene eucariotico viene inserito in un plasmide e poi trasfettato in E. coli, il relativo prodotto genico sarà espresso in quantità minima o nulla dalla cellula procariotica, a meno che non si aggiungano altre sequenze chiave. Infatti, perché il gene si esprima e il suo prodotto venga sintetizzato dalla cellula batterica non possono mancare il promotore che si lega specificamente con l’RNA polimerasi batterica, il terminatore della trascrizione e una particolare sequenza dell’mRNA che gli permette di legarsi al ribosoma.

Per risolvere questo tipo di problema, i biologi costruiscono vettori di espressione che possiedono tutte le caratteristiche dei vettori tipici con in più le sequenze necessarie affinché un gene estraneo (detto anche transgene) si esprima nella cellula ospite (▶figura 15).

Una volta inserite queste sequenze nella sede appropriata del vettore, un gene trasfettato da tale vettore si esprimerà praticamente in ogni tipo di cellula ospite.

Grazie alle biotecnologie si sintetizzano molti prodotti utili in campo medico, tra i quali vaccini, ormoni proteici e farmaci per trattare l’infarto e l’ictus (▶tabella 2).

Un altro modo per ottenere elevate quantità di prodotti utili alla medicina è il cosiddetto pharming, la produzione di farmaci proteici prodotti da animali transgenici. Un’applicazione prevede, per esempio, lo sfruttamento di vacche transgeniche nel cui latte si accumulano specifici farmaci antitumorali.

La moderna tecnologia del DNA ricombinante consente di intervenire in agricoltura agendo direttamente su specifici geni, invece di ricorrere alle tradizionali tecniche di incrocio e selezione. Questo approccio consente tempi molto più rapidi e risultati più controllabili; alcune delle applicazioni più diffuse delle biotecnologie riguardano l’agricoltura.

• La produzione di specie resistenti ai parassiti e alle infezioni virali, che possono essere coltivate riducendo drasticamente l’uso di insetticidi e di erbicidi. Il primo esempio in questo senso è stato l’uso di una tossina letale per gli insetti, prodotta dal batterio Bacillus thuringiensis.
• La manipolazione per ottenere cereali con caratteristiche nutrizionali potenziate o in grado di produrre farmaci utili.

Un discusso ma interessante risultato in questo campo è stato la produzione del cosiddetto golden rice (ovvero il riso dorato; ▶figura 16), un riso geneticamente modificato per arricchirlo di β-carotene, il precursore della vitamina A. Tale vitamina è assente nel riso e la sua carenza può causare gravi malattie e anche la morte. Nel golden rice è stato inserito un gene del narciso che consente la sintesi del β-carotene. Questo cereale è attualmente al centro di un dibattito tra ricercatori, intellettuali e ambientalisti sull’opportunità del suo utilizzo per l’alimentazione umana.

Negli ultimi anni la ricerca nel campo della biologia molecolare e delle biotecnologie ha portato ad esplorare alcuni campi di studio del tutto nuovi e, in alcuni casi, inaspettati. Vediamo brevemente due esempi di queste nuove linee di ricerca, la bioinformatica e lo studio dell’interferenza dell’RNA.

La bioinformatica:

questo ambito di ricerca comprende tutte le applicazioni della tecnologia dell’informazione applicate al campo della biologia molecolare. Negli anni, la bioinformatica si è rivelata un prezioso strumento per archiviare e gestire l’enorme quantità di dati che derivano dalle analisi genetiche e si è arricchita di software per l’archiviazione, di procedimenti matematici e di tecniche derivate dalla statistica.

Il sequenziamento di genomi sempre più complessi, inimmaginabile fino a due decenni fa, è stato reso agevole proprio dai progressi in questo campo, così come la comparazione di genomi diversi.

Grazie alla bioinformatica applicata alla genomica, è stato rivisto (in alcuni casi radicalmente) l’albero evolutivo delle specie viventi; la genomica comparata infatti ha consentito ai ricercatori di individuare parentele evolutive che sfuggivano ai comuni metodi di analisi. Anche lo studio dei problemi legati alla conservazione della biodiversità ha ricevuto un consistente supporto da queste tecniche.

Soprattutto, la genomica ha consentito di avvicinarsi allo studio di come il genoma di una cellula che fa parte di un organismo pluricellulare possa modificare nel tempo la propria struttura di espressione, cosicché, sebbene il genoma resti lo stesso per ogni cellula, il trascrittoma e il proteoma (l’insieme delle proteine) possono cambiare in modo sostanziale. Queste conoscenze si stanno rivelando fondamentali per lo studio dello sviluppo degli organismi viventi e dei meccanismi d’insorgenza di patologie come i tumori.

L'interferenza dell’RNA

risale agli inizi degli anni Novanta quando i ricercatori cominciarono a raccogliere dati su alcuni comportamenti genetici che non erano in grado di spiegare: fiori modificati geneticamente per esprimere un dato colore restavano invece bianchi, anche se apparentemente niente avrebbe dovuto impedire l’espressione del tratto desiderato. Nel 1998 due ricercatori statunitensi, Craig C. Mello e Andrew Fire, pubblicarono un articolo in cui proponevano che il silenziamento dei geni osservato fosse dovuto all’azione di un particolare RNA a doppia elica; per questa ragione essi lo definirono interferenza dell’RNA (RNAi).

Per questa loro scoperta, Mello e Fire condivisero il premio Nobel nel 2006. Oggi sappiamo che l’RNA a doppia elica non agisce direttamente nel silenziamento, ma è coinvolto, insieme a un complesso meccanismo enzimatico, nella produzione di brevi sequenze di RNA chiamate microRNA (miRNA). I miRNA si appaiano a specifici tratti complementari dei loro mRNA bersaglio, impedendone la traduzione e, in certi casi, inducendo il loro processo di degradazione. A partire da queste scoperte sono emersi svariati casi in cui gli RNA sono coinvolti in meccanismi di controllo e di regolazione dell’espressione dei geni.

Oltre all’interesse suscitato di per sé, l’RNAi è diventato subito un potente strumento per la manipolazione biotecnologica e sembra promettere interessanti applicazioni anche nel campo della terapia medica. Nel primo decennio del secolo, infatti, si cominciò a studiare la potenzialità della RNAi nella cura di infezioni da parte di virus, dall’herpes all’HIV, così come di malattie causate da una scorretta espressione genica, quali la malattia di Huntington e anche il cancro.