Il Dna nel sorriso dello Sregatto

Uno sei maggiori biologi riduzionisti discute le obiezioni di Evwlyn Fox Keller al determinismo gewnetico

Evelyn Fox Keller, "The Century of the Gene", Harvard University Press, pagg. 186, $ 22.95. La versione integrale della recensione di John Maynard Smith uscirà nel numero di aprile della "Rivista dei libri" e sarà disponibile sul sito Internet www.laRivistadeiLibri.com (per inf. 055219624).

Nel 1900, tre biologi riscoprirono separatamente le leggi di Mendel, secondo cui le caratteristiche degli organismi sono determinate da unità ereditarie presenti singolarmente in gameti, spermatozoi e uova, e quindi in forma duplice nell'uovo fecondato. Esse varavano di fatto la teoria atomistica dell'ereditarietà. Il termine "genetica" fu introdotto da William Bateson nel 1906 e la parola gene, con riferimento alle unità ereditarie, da Wilhelm Johannsen nel 1909. Nel 1930, attraverso gli studi sulla Drosophila, il moscerino della frutta, Thomas Hunt Morgan e i suoi colleghi dimostravano che i geni sono disposti in ordine lineare lungo i cromosomi. Nel 1953, James Watson e Francis Crick disvelavano la struttura del Dna, la materia di cui il gene è composto, ipotizzando di qui la presenza di un dispositivo che ai geni consentisse di trasmettere informazioni genetiche e di moltiplicarsi. Altre scoperte seguirono in rapida successione: i geni producono i propri effetti determinando la sequenza di aminoacidi nelle proteine; per tale operazione essi si servono di un "codice" di specificazione aminoacidica attraverso un terzetto di basi nel Dna; esiste un processo attraverso cui i geni regolano reciprocamente la propria attività. Negli ultimi vent'anni le nostre conoscenze sul ruolo svolto dai geni nello sviluppo di animali e piante si sono immensamente accresciute, e ora sono state pubblicate le prime sequenze complete del genoma umano. Alla base del libro di Evelyn Fox Keller vi è la celebrazione e la critica di questa storia. Docente di storia e filosofia della scienza al Mit, Keller accoglie con entusiasmo i nuovi lumi gettati sulla natura della vita e allo stesso tempo ne attacca le (a suo dire) ipersemplificazioni.

Al libro si può accostare anche chi non abbia competenze di genetica molecolare. Non è tuttavia il testo che scriverei se volessi rivolgermi a un pubblico di non addetti. Un bel po' di complicazioni le lascerei fuori. Possibilità ovviamente esclusa da Keller, per la quale le complicazioni sono l'essenza stessa del problema. Vengo quindi alla natura del mio disaccordo. Per farlo parleremo di moltiplicazione dei geni. Facevo notare sopra come la struttura del Dna proposta da Watson e Crick ne lasciasse già intendere le possibili modalità. Il loro articolo si chiude con una celeberrima frase: "Non è sfuggito alla nostra attenzione che lo specifico accoppiamento da noi postulato suggerisce immediatamente un possibile meccanismo riproduttivo del materiale genetico". Come si sa, essi hanno dimostrato che il Dna consiste di due filamenti complementari, ciascuno dei quali costituito da una stringa di quattro diversi elementi chimici, o basi: adenina, citosina, guanina e timidina (in breve A, C, G, T). Nell'elica a filamento doppio, la C di un filamento è sempre abbinata alla G dell'altro, e lo stesso vale per A e T. Tale struttura suggerisce allo stesso tempo un meccanismo di moltiplicazione. I due filamenti si separano, e ciascuno di essi funge da modello nella sintesi di un nuovo filamento complementare. La sequenza, e quindi l'informazione, è preservata dall'accoppiamento delle basi complementari. Per ragioni di affinità chimica, C si abbina con G, e A con T. A farla breve, questo è quanto. Purtroppo, la vita vera è più complicata. Se le cose fossero solo questione di affinità chimica - C per G, e A per T - una base "erronea" ci scapperebbe spesso; la frequenza di errore sarebbe perlomeno di uno su cento. Un genoma esteso, diciamo con un miliardo di basi, non avrebbe pertanto alcuna possibilità di moltiplicarsi; gli errori si accumulerebbero a un tasso vertiginoso. In pratica, il processo viene eseguito dagli enzimi, vale a dire da proteine in grado di compiere reazioni chimiche con maggior rapidità e precisione. Ma le cose sono ancora più complesse. Dopo il primo abbinamento a mediazione enzimatica, la frequenza di errore resta di uno su mille. Vi sono allora due ulteriori stadi di verifica e di correzione, opportunamente chiamati proof-reading e mismatch-repair (letteralmente: "correzione di bozze" e "riparazione abbinamenti errati"). Tale processo trifasico è dettagliatamente illustrato da Keller, la quale sottlinea l'assurdità del concetto di "autoriproduzione" del Dna.

Esso si riproduce infatti grazie a tutto un manipolo di enzimi. Ma se in assenza di enzimi il Dna non è in grado di riprodursi, è ugualmente vero che senza il Dna, o senza l'intero meccanismo della sintesi proteica che col Dna ha inizio, gli enzimi non esisterebbero. Pertanto l'ereditarietà, che comporta la generazione del simile dal simile, non dipende unicamente dall'abbinamento complementare delle basi, ma da un complesso sistema dinamico che coinvolge sia il Dna sia le proteine. In tale contesto Keller elogia un'osservazione di Max Delbruck, ex fisico e pioniere della biologia molecolare. Questi fece notare come un sistema di reazioni chimiche incrociate e inibenti potessero condurre non solo a uno, ma a molteplici stati stazionari. Lo stesso Delbruck non considerava questo modello dei "molteplici assetti stazionari" alla stregua di una spiegazione globale dell'ereditarietà, ma piuttosto come una spiegazione dell'"ereditarietà cellulare", ovvero del fatto che le cellule di un certo tipo - come fibroblasti e linfociti - danno origine, all'atto di scindersi, ad altre cellule di tipo analogo. La posizione di Keller non mi è del tutto chiara. Le sue propensioni, a ogni modo, vanno all'idea di un'ereditarietà che dipenda non solo dalla riproduzione dei geni, ma anche dalla stabilità dei sistemi dinamici. Trattando delle origini della vita, sulle orme del fisico Freeman Dyson, ella sottolinea il possibile ruolo decisivo assolto dai sistemi metabolici autonomi (self-maintaining), mancanti inizialmente di molecole in grado di riprodursi. L'idea che i sistemi dinamici stabili rivestano una parte di rilievo nell'ereditarietà ricorre spesso; ricordo che da studente ne rimasi sconcertato. Perché l'evoluzione sia possibile, c'è bisogno di un sistema ereditario che permetta la costante riproduzione di un numero infinitamente vasto di strutture differenti; e non credo che un sistema dipendente dagli assetti stazionari alternativi di un sistema dinamico potrebbe consentirlo. Dalle attuali conoscenze sulla riproduzione del Dna ricaverei personalmente tutt'altra morale. È ciò che Francis Crick notoriamente definì "il dogma centrale della biologia molecolare", vale a dire che le informazioni possono passare da acido nucleico (Dna e Rna) ad acido nucleico, e da acido nucleico a proteine, ma non da proteine ad acido nucleico. E intendeva questo. Se, in una generazione di cellule riproduttive, un solo nucleotide - cioè un singolo componente dell'acido nucleico - di una molecola di Dna si modifica, tale alterazione sarà trasmessa al Dna delle generazioni future ed è passibile di mutare un aminoacido all'interno di una proteina; viceversa, l'alterazione di un aminoacido, se anche potrebbe avere conseguenze sulla riproduzione del Dna, non darebbe luogo a nuove generazioni di proteine col medesimo aminoacido modificato. I mutamenti sono ereditari nel Dna, ma non nelle proteine (e più esattamente nella loro sequenza aminoacidica).

Benché a riguardo Crick parli di "dogma", la cosa appare quanto mai vera, forse la sola autentica verità universale condivisa da noi biologi.

Ciò spiega perché i genetisti prendano sul serio il Dna. La sua importanza per l'evoluzione è evidente. Una cosa, comunque, è chiara. L'attuale processo di riproduzione del Dna è decisamente troppo complesso per essere stato una caratteristica delle prime creature viventi. Com'erano dunque fatte? E più in particolare, come siamo arrivati alla generazione del simile dal simile? Senza tale trasmissione ereditaria, non si darebbe alcuna evoluzione. Keller preferisce l'ipotesi di Freeman Dyson secondo cui la vita ebbe origine attraverso una simbiosi tra un sistema metabolico autonomo con proteine e una popolazione di molecole a riproduzione caotica, probabilmente acidi nucleici. Personalmente, preferisco l'idea che le prime cose dotate di vita - vale a dire le prime entità con assetto ereditario, e quindi in grado di evolversi - fossero molecole, forse di Rna (simili a quelle del Dna ma a filamento unico), che fungevano sia da riproduttori caotici che da enzimi primordiali; l'ipotesi si trova avvalorata dal fatto che catalizzatori di Rna, analoghi agli enzimi, sono presenti negli organismi attuali. Alla possibile evoluzione di questo sistema primitivo in un sistema a base di Dna e proteine, io e il mio collega Eörs Szathmàry abbiamo dedicato uno studio. Si tratta inevitabilmente di congetture, ma che ritengo tuttavia più assennate rispetto a un sistema ereditario fondato su assetti stabili alternativi di un sistema dinamico. La sostanziale differenza fra Keller e il sottoscritto è il valore assoluto da lei accordato alla complessità dinamica. Per me, viceversa, l'idea cruciale è quella suggerita per la prima volta dalla struttura del Dna di Watson e Crick, vale a dire che l'ereditarietà dipende dall'affinità chimica tra G e C e tra A e T. Osservava Leslie Orgel che nell'esercizio di risalire alle origini della vita, i caratteri vanno perduti uno a uno, fino a ritrovarsi con un abbinamento di basi omologhe, come il sorriso sul volto dello Stregatto. Un altro punto su cui Keller, a mio avviso, complica inutilmente le cose riguarda l'interrogativo: che cosa fanno i geni? La risposta semplice, prefigurata dalla locuzione "un gene, un enzima" proposta da Beadle e Tatum nel 1941, è che un gene traccia il codice di una proteina. Attraverso un ormai assodato meccanismo, differenti terzetti di basi nel Dna specificano differenti aminoacidi. Il Dna che trasmette le informazioni contiene altresì sequenze che significano "cominciare a convertire qui" e "fine della proteina". Purtroppo (per me ma non per Keller) vi sono molte complicazioni. In questa sede posso prenderne in considerazione solo due. La prima è che tra i geni veri e propri si trovano ampie distese di Dna che non vengono convertite in proteine. Una piccola parte di esso ha assolto funzioni regolatrici, ma il resto no. La maggior parte di noi tende a considerare questo Dna come una sorta di "spazzatura", ma esso potrebbe ricoprire funzioni che ci sono ignote. La seconda è che i geni codificatori possiedono delle sequenze intercalanti - dette introni - che vengono escissi prima della conversione della trascrizione del gene in mRna. È ovvio che di tali complicazioni debba essere consapevole chiunque lavori con l'acido desossiribonucleico. Non mancano affascinanti interrogativi anche sulle cause originarie della presenza di questo Dna in eccesso. Ma in pratica, nella sequenza del genoma di organismi semplici come il moscerino della frutta o il verme nematode, è possibile identificare la maggior parte dei "geni" codificatori delle proteine, e dedurre di qui la sequenza aminoacidica delle proteine cui il codice si riferisce. Più difficile è identificare tutti i geni codificatori di proteine nel genoma umano a causa della ben più vasta proporzione di Dna privo di funzione codificante. La maggioranza dei biologi ammette per altro che la parte di genoma umano che conta consiste prevalentemente di geni codificatori. Pure, Keller individua una difficoltà nel definire sul piano funzionale il gene come un tratto di Dna incaricato del codice proteico. Capirei la difficoltà qualora si volesse far assurgere tale definizione a dettato filosofico valido per tutti i geni (ne esistono infatti alcuni che tracciano il codice di molecole funzionali di Rna - functional Rna molecules - e non di proteine), ma mi pare che i biologi non debbano darsene troppa pena. E a leggere le osservazioni di Keller, nell'ultimo capitolo, sulle abitudini lessicali dei biologi, penso sia d'accordo anche lei.