Il lavoro di uno dei padri della genetica, Sidney Brenner, ci ha permesso di compiere enormi passi avanti nella comprensione del funzionamento del DNA.

Sydney Brenner, biologo sudafricano, scomparso il 5 aprile 2019, è stato uno dei celebri nomi che nel secolo scorso ha dato un contributo rilevante alla biologia e alla nascita della biologia molecolare come scienza autonoma: il suo contributo è stato cruciale sia per la scoperta di come fosse possibile per il DNA contenere l’insieme di informazioni necessarie alla vita di ogni individuo, sia rendendo un piccolo nematode semisconosciuto uno degli organismi modello più utilizzati nel mondo  della ricerca.

Dal DNA alle Proteine

La scoperta della molecola di DNA è più antica di quanto molti credano. Fu infatti Johannes Friedrich Miescher, un medico svizzero, a scoprirla nel 1871, chiamandolo nucleina. Della sua funzione, però, non si sapeva ancora molto.

Nella prima metà del secolo scorso, con la nascita della genetica, gli scienziati iniziarono a interrogarsi su quale fosse la molecola deputata a custodire e trasferire informazioni da una generazione all’altra. Gli studi si focalizzarono sulle due più importanti  classi di macromolecole contenute in una cellula: in un primo momento si riteneva che le l’informazione genetica fosse contenuta nelle proteine, una classe di molecole estremamente abbondante ed eterogenea, e non nel DNA, ritenuto invece troppo semplice per contenere informazioni.

La risposta arrivò oltre 50 anni dopo, quando gli scienziati Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty nel 1943, e poi, nel 1953, Alfred Hershey e Marta Chase identificarono, studiando la genetica di virus e batteri, come il DNA, e non le proteine, fosse la molecola informazionale deputata all’ereditarietà.

Solamente nel 1951, grazie alle ricerche di Watson e Crick, unitamente al fondamentale contributo degli studi di cristallografia a raggi X di Wilkins, Franklin e Gosling, si riuscì, per la prima volta, a descrivere la struttura del DNA:
Due filamenti costituiti dalla ripetizione di 4 nucleotidi che si legano e si avvolgono tra loro assumendo la ormai famosissima struttura a doppia elica.

Rimaneva aperto ancora un grande interrogativo: Stabilito come il DNA fosse costituito e appurato come fosse la molecola contenente l’informazione genetica, come faceva tale informazione a diventare una funzione?
Come poteva essere espressa un una molecola capace di eseguirla, cioè in una proteina?
Doveva esserci un tramite, un messaggero… È qui che entra in gioco Sydney Brenner. Fu lui, infatti, a iniziare la ricerca del tramite, con la collaborazione di Francis Crick, Francois Jacob e Jacques Monod.

Il gruppo di ricerca identificò nella molecola dell’RNA messaggero (mRNA) il responsabile di questo dialogo tra DNA e proteine.

L’mRNA è una molecola a singolo filamento (non a doppio come il DNA), rappresenta una copia fedele dell’informazione contenuta nel DNA destinata alla sintesi di una proteina, costituita però non da 4 nucleotidi, come nel caso del DNA ma da 4 molecole leggermente diverse chiamate ribonucleotidi.

Ma come si può ottenere da un filamento di RNA costituito dalla ripetizione di 4 ribonucleotidi una proteina che è formata dalla combinazione di 20 molecole (gli aminoacidi) diverse?

In uno studio in furono coinvolti diversi scienziati tra cui Brenner, Crick, Leslie Barnett e RJ Watts-Tobin, fu stabilito che l’unità di base del codice genetico, il codone, è una sequenza di 3 ribonucleotidi, a ognuno dei quali corrisponde uno specifico aminoacido.
Durante la sintesi di una proteina ogni tripletta è letta dal macchinario cellulare in maniera sequenziale e non sovrapposta rispetto alle altre e i corrispettivi aminoacidi vengono legati tra loro andando a formare la proteina finale.

Leslie Barnett, Francis Crick e Sidney Brenner nel 1986. (Cold Spring Harbor Laboratories)

Furono questi i primi passi nel risolvere il complesso macchinario molecolare che, in tutte le forme viventi, converte un’informazione in un’azione, poi teorizzato nel dogma centrale della biologia molecolare, postulato da Francis Crick.

Il dono della Natura alla scienza

Dopo aver delineato come un messaggio contenuto nel DNA potesse diventare una proteina, Sidney Brenner spostò il suo interesse sull’indagare come i geni siano i regolatori dello sviluppo di un organismo.

Per farlo era necessario un organismo modello che fosse piccolo, facilmente allevabile in laboratorio, osservabile direttamente al microscopio e con meno neuroni di un moscerino della frutta ma dotato di una organizzazione strutturale più complessa di quella dei batteri.
Durante il discorso che tenne nel 2002 in seguito all’assegnazione del premio Nobel per la medicina e la fisiologia, Sydney Brenner affermò: “Scegliere l’organismo giusto per una ricerca è tanto importante quanto trovare il giusto problema su cui lavorare”.
Nel 1963 l’organismo giusto che scelse per i suoi studi fu Caenorhabditis elegans.

Un esemplare adulto di C. elegans (via Wikimedia Commons)

C. elegans è tra gli organismi modello più utilizzati nel campo della ricerca, non solo per versatilità di allevamento e utilizzo.

Nel 1964 Brenner iniziò lo studio del semplice sistema nervoso del nematode, composto da solamente 302 cellule, deciso a mapparne l’intero tracciato, un lavoro mastodontico, per l’epoca ritenuto quasi impossibile, che richiese vent’anni di lavoro.
Continuando i suoi studi, nel 1974, sottopose popolazioni di C. elegans a EMS, una sostanza chimica capace di provocare mutazioni al DNA, e isolò 300 mutanti, la maggior parte dei quali con un alterato comportamento e movimenti scoordinati. Questi mutanti gli permisero di identificare più di 100 geni responsabili del corretto differenziamento e sviluppo del sistema nervoso.

Difficilmente Brenner avrebbe immaginato, nel 1963, quante scoperte sarebbero state realizzate grazie alle ricerche condotte su questo piccolo animale: è stato il primo organismo multicellulare il cui genoma è stato sequenziato per intero,  è stato utilizzato per studi sulla morte cellulare programmata, sul funzionamento e sull’evoluzione di disturbi del sistema nervoso, sull’invecchiamento, sulla risposta dell’organismo all’assenza di gravità, e in tantissimi altri campi che sarebbe impossibile pensare di racchiudere in una singola pagina.

Per questo suo lavoro pionieristico e per l’aver fatto conoscere al mondo della ricerca questo animale dalle enormi potenzialità gli fu assegnato, nel 2002, il premio Nobel per la Medicina e Fisiologia.

La scomparsa di una mente prolifica e geniale, che ha visto e contribuito alla nascita della biologia moderna, è sicuramente avvertita da chi è un addetto ai lavori ma della sua importanza poco traspare all’esterno.
Con questo articolo si spera di rendere noto il contributo di chi, citando Bernardo di Chartres, ha reso più alte le spalle dei giganti su cui poggiamo.