La doppia elica: la corsa per scoprire la forma del DNA

Nell'inverno del 1869, in un castello riadattato a Tubinga, un medico svizzero di 25 anni di nome Friedrich Miescher lavava via il pus dalle bende chirurgiche usate. Aveva raccolto le bende da una clinica vicina perché le medicazioni scartate erano intrise di globuli bianchi, e Miescher voleva studiare la chimica di quelle cellule. Dai loro nuclei estrasse una strana sostanza ricca di fosforo che si comportava in modo diverso da qualsiasi cosa avesse mai visto, né proteina né grasso né carboidrato. La chiamò nucleina. Aveva, senza saperlo, isolato il DNA, e morì convinto che fosse una molecola insignificante, priva di un ruolo particolare nella cellula.

Ottantaquattro anni dopo, nella primavera del 1953, quella stessa molecola sarebbe diventata l'oggetto più discusso della biologia. In poche settimane intense, due uomini a Cambridge e un piccolo gruppo a Londra stabilirono che aspetto avesse realmente la nucleina, e la risposta riorganizzò l'intera scienza attorno a essa. Questa è la storia di come una molecola senza un ruolo sia diventata la molecola che porta le istruzioni della vita, e della lunga, contesa e a volte poco generosa corsa per scoprirne la forma.

Una molecola che nessuno pensava contasse

Per decenni dopo Miescher, quasi nessuno credette che la nucleina potesse essere il materiale genetico. Il ragionamento sembrava solido all'epoca. Si sapeva che i cromosomi portano l'eredità, e i cromosomi erano fatti sia di proteine sia di DNA. Le proteine sono costruite a partire da venti diversi amminoacidi, il che conferiva loro una ricchezza evidente, un grande alfabeto con cui si potevano scrivere istruzioni complesse. Il DNA, al contrario, conteneva solo quattro elementi costitutivi, le basi adenina, timina, guanina e citosina, e una monotona spina dorsale di zucchero e fosfato. Alla maggior parte dei biologi appariva troppo semplice e ripetitivo per codificare qualcosa di intricato come un organismo. Sicuramente il messaggio genetico risiedeva nelle proteine, e il DNA era solo un'impalcatura strutturale.

La prima vera crepa in quel consenso arrivò nel 1944. Al Rockefeller Institute di New York, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty pubblicarono sul Journal of Experimental Medicine un articolo che riprendeva un risultato sconcertante del 1928. In quell'esperimento precedente, il batteriologo britannico Frederick Griffith aveva mostrato che un ceppo innocuo di batteri pneumococchi poteva essere trasformato in modo permanente in un ceppo letale quando veniva mescolato con i resti morti di cellule virulente. Qualcosa in quelle cellule morte, che Griffith chiamò principio trasformante, portava le istruzioni per la virulenza e poteva essere ereditato dai discendenti dei batteri vivi. Avery, MacLeod e McCarty si misero a identificare chimicamente quel qualcosa, e dopo anni di accurata purificazione conclusero che il principio trasformante era il DNA, non una proteina. Il risultato era netto, ma la comunità della biologia molecolare in gran parte si rifiutò di crederci per quasi un decennio, ancora convinta che una molecola così semplice non potesse portare una tale informazione.

L'esperimento che finalmente risolse la questione

I dubbi non si dissiparono del tutto fino al 1952, con un esperimento ormai celebre per la sua eleganza. A Cold Spring Harbor, Alfred Hershey e Martha Chase studiavano i batteriofagi, i virus che infettano i batteri. Un fago è poco più di un guscio proteico avvolto attorno a un nucleo di DNA, e quando attacca un batterio inietta il proprio materiale genetico per dirottare i meccanismi della cellula. La domanda era semplice: quando il fago infetta, manda dentro la sua proteina o il suo DNA?

Hershey e Chase risposero con marcatori radioattivi. Fecero crescere un lotto di fagi con zolfo radioattivo, che si trova nelle proteine ma non nel DNA, e un altro lotto con fosforo radioattivo, che si trova nel DNA ma non nelle proteine. Lasciarono che ciascun lotto infettasse i batteri, poi agitarono la miscela in un frullatore e in una centrifuga per staccare i gusci vuoti dei fagi dalla superficie delle cellule. Quando controllarono dove fosse finita la radioattività, il fosforo, il marcatore sul DNA, era dentro i batteri, mentre lo zolfo, il marcatore sulla proteina, rimaneva fuori nei gusci scartati. Solo il DNA era entrato nella cellula. Pubblicato sul Journal of General Physiology, il risultato convinse finalmente la maggior parte dei biologi molecolari di ciò che il gruppo di Avery aveva mostrato otto anni prima. Il DNA era il materiale genetico, e la domanda urgente diventò che aspetto avesse.

Due indizi nascosti nella chimica

All'inizio degli anni Cinquanta erano già sul tavolo due elementi di prova cruciali, anche se nessuno vedeva ancora come si incastrassero tra loro. Il primo venne da Erwin Chargaff della Columbia University. Tra il 1949 e il 1950, usando una tecnica allora nuova chiamata cromatografia su carta, Chargaff misurò le proporzioni delle quattro basi nel DNA prelevato da molte specie diverse. Trovò una regolarità sorprendente. In ogni campione, qualunque fosse l'organismo, la quantità di adenina eguagliava quasi esattamente la quantità di timina, e la quantità di guanina eguagliava quasi esattamente la quantità di citosina. Allo stesso tempo, il rapporto complessivo tra adenina più timina e guanina più citosina variava ampiamente da una specie all'altra. Queste osservazioni, oggi chiamate regole di Chargaff, erano un indizio stuzzicante. Suggerivano che le basi fossero in qualche modo appaiate, che la A andasse con la T e la G con la C, ma Chargaff stesso non sapeva dire perché, e il significato dei suoi numeri rimase chiuso a chiave finché non si conobbe la struttura.

Il secondo indizio non venne dalla chimica ma dalla fisica, dal modo in cui il DNA diffonde i raggi X. Al King's College di Londra, Rosalind Franklin e il suo dottorando Raymond Gosling usavano la diffrazione di raggi X su fibre, un metodo in cui un fascio di raggi X viene proiettato su una fibra della molecola e il disegno dei raggi diffusi viene catturato su pellicola. I punti e gli archi di quel disegno codificano la geometria ripetuta della molecola, e leggerli è un mestiere impegnativo. Nel maggio del 1952, Franklin e Gosling produssero l'immagine più nitida mai ottenuta fino ad allora della forma idratata e biologicamente rilevante del DNA, la cosiddetta forma B. Catalogata semplicemente come fotografia 51, l'immagine mostrava un'inconfondibile croce di riflessi a forma di X, un disegno che a un occhio esperto annunciava, in modo chiaro, che la molecola era un'elica.

Cambridge, Londra e una fotografia mostrata senza permesso

La corsa aveva ora due schieramenti. Al King's College, Franklin, Gosling e Maurice Wilkins lavoravano sui dati dei raggi X. Al Cavendish Laboratory di Cambridge, James Watson e Francis Crick cercavano di dedurre la struttura costruendo modelli fisici, incastrando lastre e aste di metallo finché la geometria non rispettasse ogni vincolo noto. I due gruppi erano rivali a disagio, e i rapporti tra Franklin e Wilkins in particolare erano tesi.

Nel gennaio del 1953, Wilkins mostrò la fotografia 51 di Franklin a Watson, senza il permesso o la consapevolezza di Franklin. Per Watson l'immagine fu una conferma elettrizzante che lui e Crick stavano inseguendo un'elica, e fornì loro indizi quantitativi sulle sue dimensioni. L'episodio è stato oggetto di discussione da allora, perché l'attento lavoro sperimentale di Franklin alimentò direttamente una scoperta per cui all'epoca ricevette pochi riconoscimenti, e perché non fu consultata sull'uso dei suoi stessi dati. È una delle ragioni per cui la storia della doppia elica viene ricordata tanto per la sua etica quanto per la sua scienza.

Con la fotografia e le regole di Chargaff in mano, Watson e Crick trascorsero febbraio e la prima metà di marzo del 1953 al banco dei modelli. La svolta arrivò quando azzeccarono l'appaiamento delle basi. Se l'adenina si appaia con la timina e la guanina con la citosina, le due coppie risultanti hanno quasi esattamente la stessa larghezza. Quella larghezza uniforme significava che le basi appaiate potevano stare come pioli dentro un'elica di diametro costante, con le ingombranti spine dorsali di zucchero e fosfato che correvano lisce lungo l'esterno. La geometria all'improvviso si incastrò, e spiegò le regole di Chargaff in un colpo solo: A uguale T e G uguale C perché ogni A è legata a una T e ogni G a una C. Il modello fu completato il 7 marzo, e il manoscritto partì per Nature il 2 aprile.

Che aspetto ha davvero la struttura, e perché contò fin da subito

La molecola descritta da Watson e Crick è una doppia elica destrorsa. Due spine dorsali di zucchero e fosfato alternati si avvolgono attorno all'esterno, correndo antiparallele, il che significa che i due filamenti puntano in direzioni opposte. Le quattro basi si impilano nel nucleo come i gradini di una scala a chiocciola, e i due filamenti sono tenuti insieme da legami a idrogeno tra coppie di basi complementari, l'adenina sempre di fronte alla timina e la guanina sempre di fronte alla citosina. Circa 10,5 coppie di basi compiono un giro completo dell'elica. L'articolo che annunciava tutto ciò comparve su Nature il 25 aprile 1953, lungo appena due pagine e meno di 900 parole, con un'unica figura disegnata dalla moglie di Crick, Odile, un'artista. Si chiudeva con una delle frasi più sommessamente celebri della scienza, l'osservazione che lo specifico appaiamento delle basi da loro proposto suggeriva immediatamente un modo in cui la molecola poteva copiare sé stessa.

Quella singola riga, detta in tono pacato, indicava il motivo per cui la struttura contò così in fretta. Tre problemi profondi della biologia scaturirono dalla geometria quasi gratuitamente. Poiché i due filamenti sono complementari, ciascuno può fungere da stampo per ricostruire l'altro, il che suggeriva un meccanismo di copiatura, in seguito confermato come replicazione semiconservativa, in cui ogni molecola figlia conserva un filamento vecchio e ne acquisisce uno nuovo. Poiché le quattro basi possono essere disposte in qualsiasi ordine lungo la spina dorsale, la struttura offriva una capacità di trasporto dell'informazione, con il messaggio genetico scritto nella sequenza stessa. E poiché quella sequenza può cambiare, la struttura offriva un meccanismo naturale per la mutazione. L'intero programma di ricerca della biologia molecolare dei trent'anni successivi nacque da queste tre implicazioni.

Un premio, un'assenza e una discussione che dura

Nel 1962 il premio Nobel per la fisiologia o la medicina fu assegnato congiuntamente a Watson, Crick e Wilkins per aver decifrato la struttura molecolare del DNA. Rosalind Franklin non era tra loro. Era morta di cancro alle ovaie nell'aprile del 1958, all'età di 37 anni, e secondo le regole del premio un Nobel non viene assegnato postumo, quindi semplicemente non era eleggibile. Se lo avrebbe condiviso fosse stata viva, e come il merito dovesse essere ripartito dato che la sua fotografia 51 fu centrale nella scoperta, è stato dibattuto da allora e rimane davvero irrisolto. Ciò che non è in dubbio è che i suoi dati sperimentali furono indispensabili, e che il percorso dalle bende intrise di pus di Miescher alla scala della doppia elica passò per molte mani, a Cambridge, Londra, New York e Cold Spring Harbor, prima che la biologia venisse finalmente riprogettata attorno a una chimica.

Punti chiave

Il DNA fu isolato per la prima volta come una sostanza ricca di fosforo chiamata nucleina da Friedrich Miescher nel 1869, ma per decenni fu liquidato come troppo semplice per portare l'eredità; quella visione crollò solo dopo che Avery, MacLeod e McCarty mostrarono nel 1944 che il DNA era il principio trasformante di Griffith, e dopo che Hershey e Chase confermarono nel 1952 che un fago inietta nella cellula il suo DNA, non la sua proteina. Due indizi si rivelarono poi decisivi: le regole di Chargaff, secondo cui l'adenina è uguale alla timina e la guanina alla citosina, e la fotografia 51 ai raggi X del 1952 di Franklin e Gosling, che rivelò la forma elicoidale del DNA. Basandosi su entrambi, Watson e Crick capirono all'inizio del 1953 che le coppie A-T e G-C hanno la stessa larghezza e quindi si inseriscono dentro una doppia elica destrorsa formata da due spine dorsali antiparallele di zucchero e fosfato, con coppie di basi impilate e legate a idrogeno e circa 10,5 coppie per giro, pubblicandolo in un breve articolo su Nature il 25 aprile 1953. La struttura contò immediatamente perché la sua geometria suggeriva la replicazione semiconservativa, l'informazione codificata nella sequenza e un meccanismo per la mutazione, e il Nobel del 1962 andò a Watson, Crick e Wilkins, con Franklin, morta nel 1958, non eleggibile secondo la regola del premio che vieta l'assegnazione postuma, lasciando una questione ancora dibattuta su come il merito avrebbe dovuto essere condiviso.