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Solo in seguito all'invenzione del microscopio nel diciassettesimo secolo l'uomo è riuscito a scoprire l'universo nascosto delle cellule e dei microrganismi. Nel 1665 l'Inglese Robert Hooke (1635-1703) esaminò del sughero con un rudimentale microscopio e si rese conto che le piante di come le piante fossero formate da tanti piccoli elementi disposti a nido d'ape.
Il naturalista, commerciante e politico olandese Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) esaminò al microscopio della placca dentale, delle gocce di sangue, della saliva e altri liquidi organici e scoprì i batteri, i globuli rossi, alcuni organismi unicellulari e gli spermatozoi.
Il medico britannico Edward Jenner (1749-1823) intuì che i contadini che erano stati già contagiati dal vaiolo delle vacche erano successivamente protetti dal temibile vaiolo umano. Nel 1796 portò a termine il seguente esperimento: estrasse del tessuto da una vescica di pus di una bambina, che era stata contagiata dal virus del vaiolo delle vacche durante la mungitura, e lo inoculò in un bambino sano. Sei settimane dopo trasmise al bambino il virus del vaiolo umano. Il bambino non si ammalò. Jenner realizzò così la prima vaccinazione di un essere umano.
Col passare del tempo gli animali e le piante si trasformano. Nascono nuove specie. Nel 1858, il Britannico Charles Robert Darwin (1809-1882) formulò una teoria che spiega l'avvenire di tale evoluzione: per poter sopravvivere nella continua lotta per la conquista di cibo e spazio, gli esseri viventi devono continuamente adattarsi alle trasformazioni del loro ambiente naturale. Gli organismi che hanno caratteristiche vantaggiose rispetto agli altri vinceranno la lotta, com'è per esempio il caso di un fiore che produce più semi e che può meglio riprodursi di un altro.
Il chimico e fisico francese Louis Pasteur (1822-1895) dimostrò per primo, nel 1864, che i microrganismi vengono distrutti dal calore e che in una soluzione nutriente trattata in questo modo non possono formarsi nuovi microrganismi. Provò così che una nuova vita non può nascere spontaneamente, ma solo da una vita già esistente. Pasteur scoprì inoltre che nella natura i microrganismi provocano determinate reazioni chimiche: i batteri fanno p. es. inacidire il latte, mentre le cellule del lievito trasformano il mosto in vino. Pasteur creò un nuovo ramo di ricerca: la microbiologia, ovvero lo studio dei "piccoli esseri viventi". Il metodo ancora oggi utilizzato della "pastorizzazione" - cioè la distruzione dei microrganismi riscaldando un liquido (p. es. succo di mela, latte) - deriva dalla sua scoperta.
Nei suoi esperimenti di incrocio di piselli, il monaco agostiniano Johann Gregor Mendel (1822-1884) scoprì nel convento di Brünn (oggi Repubblica ceca) le leggi dell'ereditarietà. Mendel osservò determinate caratteristiche dei piselli (p. es. il colore dei fiori o la buccia dei piselli) e dedusse le leggi in base alle quali queste vengono trasmesse dai genitori ai discendenti. Giunse alla conclusione che ogni caratteristica esterna di una pianta corrisponde a un "elemento" (oggi chiamato gene) interno alla cellula e che ci devono essere almeno due esemplari per ogni "elemento". Mendel ipotizzò giustamente che uno degli "elementi" doveva provenire dalla madre e l'altro dal padre. I suoi lavori erano molto matematici e, forse anche per questo motivo, furono a lungo dimenticati.
Uno degli obiettivi del chimico di Basilea Friedrich Miescher (1844-1895) era di studiare la struttura delle cellule. Nel 1871 riuscì a dimostrare che i globuli bianchi, oltre ad acqua, zucchero, proteine e lipidi, contengono anche una sostanza fino ad allora sconosciuta. Poiché tale sostanza proveniva dal nucleo cellulare, la chiamò "nucleina" (oggi DNA). Ci sono però voluti ancora alcuni decenni prima di constatare che la "nucleina" è formata da una serie di geni.
Già nel 1878 i ricercatori scoprirono, grazie a microscopi più efficienti, determinate strutture nel nucleo delle cellule che potevano venire facilmente colorate. Questo materiale colorato venne in seguito chiamato "cromosoma", ovvero corpi colorati. Il tedesco Walther Flemming (1843-1905) fu il primo biologo a studiare sistematicamente il comportamento dei cromosomi durante la divisione cellulare. Flemming osservò che i cromosomi vengono dimezzati durante la divisione cellulare, che i mezzi cromosomi vengono tirati in direzione opposta per essere distribuiti sulle cellule figlie e che entrambe le cellule figlie producono poi una copia dei mezzi cromosomi. Le cellule figlie possiedono così gli stessi cromosomi della loro cellula madre. Nel 1882 pubblicò le sue prime scoperte, ma trascorsero quasi 20 anni prima che venissero collegate alle leggi sull'eredità di Mendel.
All'inizio del ventesimo secolo l'Olandese Hugo De Vries (1848-1935), il Tedesco Carl Erich Correns (1864-1933) e l'Austriaco Erich von Tschemark (1871-1962) riscoprirono indipendentemente i risultati delle ricerche di Mendel. I tre ricercatori eseguirono degli incroci sperimentali su diverse piante e giunsero alla stessa conclusione del monaco agostiniano: la trasmissione dei caratteri funziona in base a leggi ben precise e tali caratteristiche sono "scritte" in qualche modo e in qualche posto all'interno degli esseri viventi.
Nel 1902 il Tedesco Theodor Boveri (1862-1915) e l'Americano Walter Stanborough Sutton (1877-1916) scoprirono che nel nucleo di un cellula due cromosomi sono sempre identici. I due ricercatori svilupparono un nesso con la teoria di Mendel: due esemplari di un "elemento" (oggi chiamato gene) che corrisponde a un determinato carattere visibile vengono trasmessi dai genitori ai loro discendenti. Uno dei due elementi proviene dalla madre e l'altro dal padre.
Il biologo danese Wilhelm Johannsen (1857-1927) scoprì, grazie ai suoi studi con i fagioli, che la trasformazione degli organismi può avere due cause: può essere ereditaria o dovuta a fattori ambientali. Come Mendel giunse alla conclusione che tutti i caratteri ereditari vengono determinati da "elementi" all'interno della cellula. Nel 1909 Johannsen diede a questi "elementi" il nome di "geni".
Le ricerche condotte dal biologo americano Thomas Hunt Morgan (1866-1945) con le drosofile, dei piccoli insetti comunemente chiamati moscerini della frutta, fecero un po' più di chiarezza sul legame fra le strutture del nucleo cellulare (cromosomi) e la trasmissione dei diversi caratteri (geni). Nel 1910 Morgan scoprì che il numero dei geni è molto più elevato di quello dei cromosomi, quindi ne dedusse che i cromosomi racchiudono i geni. Egli scoprì inoltre che i cromosomi comprendono un gran numero di geni, i quali sono disposti linearmente sul singolo cromosoma in un ordine ben preciso.
Già nel 1930 i due biologi americani George Wells Beadle (1909-1989) e Edward Lawrie Tatum (1909-1975) intuirono che un gene contiene le informazioni necessarie per la produzione di una proteina. In altri termini, i geni sono le mappe di produzione delle proteine. Dieci anni dopo convalidarono la loro teoria con un esperimento. Nel 1941 Beadle e Tatum provarono che modificando un solo gene di una muffa si può modificare uno dei suoi caratteri. La trasformazione genetica impedì alla muffa di riprodursi in modo corretto.
Per molto tempo si credette che le proteine erano le sostanze chimiche di cui erano composti i geni. Solo nel 1944 il Canadese Oswald Theodore Avery (1877-1955), assieme ai suoi assistenti americani Colin M. MacLeod e Maclyn McCarty, riuscì a dimostrare attraverso i suoi esperimenti con i batteri che la "nucleina" scoperta da Friedrich Miescher era composta da acido desossiribonucleico (DNA).
Dalla scoperta di Avery che i geni sono composti da DNA, i ricercatori si chiesero quale forma avesse la loro struttura. Nel 1953 l'Americano James Dewey Watson (1928-) e l'Inglese Francis Harry Compton Crick (1916-2004) riuscirono a dare una risposta all'interrogativo: le quattro basi adenina, timina, citosina e guanina (A, T, C e G) sono disposte linearmente su due catene attorcigliate lungo il proprio asse. I collegamenti trasversali fra le due catene sono costituiti dall'accoppiamento dell'A con la T e della G con la C. La forma del DNA ricorda quindi quella di una scala a chiocciola. I ricercatori cominciarono a parlare di "doppia elica". Solo quaranta anni dopo ci furono dei microscopi in grado di confermare con certezza la correttezza del modello di DNA elaborato da Watson e Crick.
Assieme al fisico George Gamov (1904-1968), nel 1957 Francis Harry Compton Crick elaborò il "dogma centrale" della biologia molecolare, che descrive il "flusso" delle informazioni genetiche in una cellula: l'informazione genetica "scorre" da un gene (DNA) attraverso il suo duplicato (RNA) in una proteina. La sequenza delle basi dei geni (A,C,G,T) determina la sequenza delle componenti delle proteine, gli amminoacidi.
Come è archiviata nel gene l'informazione destinata a produrre una proteina? In altri termini, come viene tradotto il linguaggio dei geni (A,C,G,T) in quello delle proteine (20 diversi amminoacidi)? La risposta a questi interrogativi arrivò nel 1966 dai due ricercatori americani Marshall Warren Nirenberg (1927-2010) e Robert William Holley (1922-1993) e dal biochimico pakistano Har Gobind Khorana (1922-2011): a una determinata sequenza di tre basi in un gene corrisponde sempre un amminoacido nella proteina. Questa chiave di traduzione ci chiama "codice genetico" ed è uguale in tutti gli esseri viventi. Si dice quindi che il "codice genetico" è universale.
Il microbiologo svizzero Werner Arber scoprì che alcuni batteri sono in grado di frammentare il DNA estraneo (per esempio quello introdotto da un virus) grazie a determinate proteine. Il biologo molecolare americano Hamilton O. Smith confermò la scoperta di Arber con degli esperimenti. I cosiddetti enzimi di restrizione riconoscono una determinata sequenza di lettere sul DNA e lo sezionano in quel punto. Ci sono diversi enzimi di restrizione e ognuno ha un punto di sezione specifico. La scoperta di queste "forbici del DNA", avvenuta nel 1970, ha gettato le basi dell'ingegneria genetica.
L'americano Paul Berg si servì degli enzimi di restrizione (forbici del DNA) e delle cosiddette ligasi (colla del DNA) per incollare in laboratorio frammenti di DNA di origine differente o, per dirlo in altre parole, per costruire il primo DNA ricombinante. Nel 1972 riuscì a combinare il DNA di virus con il DNA di batteri.
Nel 1973 i due americani Stanley Cohen e Herbert Boyer produssero il primo batterio geneticamente modificato: dal batterio Escherichia coli isolarono un plasmide, che conteneva un gene resistente all'antibiotico tetraciclina. In questo plasmide aggiunsero un secondo gene resistente all'antibiotico canamicina. Trapiantarono quindi questo plasmide ricombinante nel batterio Escherichia coli. Il batterio così modificato era resistente ai due antibiotici tetraciclina e canamicina.
Walter Gilbert (USA) e Frederick Sanger (UK) sviluppano, indipendentemente l'uno dall'altro, due metodi che permettono di determinare la sequenza delle basi A, C, G e T di una singola catena di DNA( lettura del DNA = sequenziazione). Come funziona il metodo di Sanger, tuttora utilizzato, è spiegato nel capitolo "Ingegneria genetica" sotto "Metodi".
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