La biologia molecolare è lo studio della vita a livello di atomi e molecole. Supponiamo, per esempio, che si voglia capire il più possibile su un lombrico. Ad un livello, è possibile descrivere le caratteristiche ovvie del verme, tra cui la sua dimensione, forma, colore, peso, i cibi che mangia e il modo in cui si riproduce.

Molto tempo fa, tuttavia, i biologi scoprirono che una comprensione più basilare di qualsiasi organismo poteva essere ottenuta studiando le cellule di cui quell’organismo è fatto. Potevano identificare le strutture di cui sono fatte le cellule, il modo in cui le cellule cambiano, le sostanze necessarie alla cellula per sopravvivere, i prodotti fatti dalla cellula e altre caratteristiche cellulari.

La biologia molecolare fa un passo avanti nell’analisi della vita. Tenta di studiare le molecole di cui sono fatti gli organismi viventi allo stesso modo in cui i chimici studiano qualsiasi altro tipo di molecola. Per esempio, cercano di scoprire la struttura chimica di queste molecole e il modo in cui questa struttura cambia durante vari processi di vita, come la riproduzione e la crescita. Nella loro ricerca, i biologi molecolari fanno uso di idee e strumenti di molte scienze diverse, tra cui la chimica, la biologia e la fisica.

Il dogma centrale

Il principio chiave che domina la biologia molecolare è noto come dogma centrale. (Il dogma centrale si basa su due fatti. Il primo fatto è che gli attori chiave nel modo in cui opera ogni cellula sono le proteine. Le proteine sono molecole molto grandi e complesse, fatte di unità più piccole note come aminoacidi. Una tipica proteina potrebbe consistere, per esempio, in alcune migliaia di molecole di aminoacidi unite l’una all’altra da un capo all’altro. Le proteine svolgono una serie di ruoli nelle cellule. Sono i mattoni con cui sono fatte le strutture cellulari; agiscono come ormoni (messaggeri chimici) che trasmettono messaggi da una parte all’altra di una cellula o da una cellula a un’altra cellula; e agiscono come enzimi, composti che accelerano la velocità con cui avvengono le reazioni chimiche nelle cellule.

Il secondo fatto fondamentale è che le proteine sono costruite nelle cellule sulla base di piani generali memorizzati in molecole note come acidi desossiribonucleici (DNA) presenti nei nuclei delle cellule. Le molecole di DNA sono costituite da lunghissime catene di unità note come nucleotidi unite l’una all’altra da un capo all’altro. La sequenza in cui sono disposti i nucleotidi agisce come una sorta di codice che dice alla cellula quali proteine fare e come farle.

Parole da sapere

Aminoacido: Un composto organico da cui sono fatte le proteine.

Cellula: L’unità di base di un organismo vivente; le cellule sono strutturate per svolgere funzioni altamente specializzate.

Citoplasma: La sostanza semifluida di una cellula contenente gli organelli e racchiusa dalla membrana cellulare.

DNA (acido desossiribonucleico): Il materiale genetico nel nucleo delle cellule che contiene le informazioni per lo sviluppo di un organismo.

Enzima: Una qualsiasi delle numerose proteine complesse che sono prodotte dalle cellule viventi e innescano specifiche reazioni biochimiche.

Ormone: Una sostanza chimica prodotta nelle cellule viventi che viene trasportata dal sangue a organi e tessuti in parti lontane del corpo, dove regola l’attività cellulare.

Nucleotide: Unità di cui sono fatte le molecole di DNA.

Proteina: Un complesso composto chimico che consiste di molti amminoacidi attaccati tra loro che sono essenziali per la struttura e il funzionamento di tutte le cellule viventi.

Ribosoma: Piccole strutture nelle cellule dove vengono prodotte le proteine.

Il dogma centrale, quindi, è molto semplice e può essere espresso come segue:

DNA → mRNA → proteine

Ciò che questa equazione dice a parole è che il codice memorizzato nelle molecole di DNA nel nucleo di una cellula è prima scritto in un altro tipo di molecola nota come acido ribonucleico messaggero (mRNA). Una volta costruite, le molecole di mRNA lasciano il nucleo e viaggiano fuori dal nucleo nel citoplasma della cellula. Si attaccano ai ribosomi, strutture all’interno del citoplasma dove avviene la produzione di proteine. Gli amminoacidi che esistono in abbondanza nel citoplasma vengono poi portati ai ribosomi da un altro tipo di RNA, l’RNA di trasferimento (tRNA), dove vengono utilizzati per costruire nuove molecole proteiche. Queste molecole hanno la loro struttura dettata da molecole di mRNA che, a loro volta, hanno strutture originariamente dettate da molecole di DNA.

Importanza della biologia molecolare

Lo sviluppo della biologia molecolare ha fornito un modo nuovo e completamente diverso di comprendere gli organismi viventi. Ora sappiamo, per esempio, che le funzioni di una cellula possono essere descritte in termini chimici. Supponiamo di sapere che una cellula produce capelli rossi. Quello che abbiamo imparato è che la ragione per cui la cellula fa i capelli rossi è che le molecole di DNA nel suo nucleo portano un messaggio codificato per fare i capelli rossi. Questo messaggio codificato passa dal DNA della cellula al suo mRNA. L’mRNA dirige poi la produzione delle proteine dei capelli rossi.

Lo stesso si può dire per qualsiasi funzione cellulare. Forse una cellula è responsabile della produzione di anticorpi contro le infezioni, o della produzione dell’ormone insulina, o dell’assemblaggio di un ormone sessuale. Tutte queste funzioni cellulari possono essere specificate come un insieme di reazioni chimiche.

Ma una volta che questo fatto è stato realizzato, allora gli esseri umani hanno nuovi entusiasmanti modi di trattare gli organismi viventi. Se l’architetto principale delle funzioni cellulari è una molecola chimica (DNA), allora quella molecola può essere cambiata, come qualsiasi altra molecola chimica. Se e quando ciò accade, anche le funzioni svolte dalla cellula vengono modificate. Per queste ragioni, lo sviluppo della biologia molecolare è considerato da molti come una delle più grandi rivoluzioni di tutta la storia scientifica.