Salute e malattia
La ricerca basata sulla genetica è una delle discipline scientifiche in più rapida evoluzione oggi. La tecnologia iniziale iniziò con tecniche usando etichette radioattive per il sequenziamento DNA, identificazione delle basi individuali che compongono il DNA. Il DNA è il progetto per ogni organismo vivente, inclusi i virus. È formato da milioni o miliardi di unità ripetute di quattro basi azotate, designate come A per adenosina, G per guanosina, C per citosina e T per timina. Gli esseri umani contengono approssimativamente 9 miliardi di queste basi, ripetute senza un pattern distintivo. Tre basi insieme simboleggiano un aminoacido. Una catena di aminoacidi determina una proteina. Il complemento di diverse proteine determina le caratteristiche di un organismo vivente chiamato fenotipo. Le tecniche di analisi DNA sono usate per determinare sequenze DNA al fine di capire come gli organismi viventi si sviluppano, e gli errori in sequenza che causano malattie come il cancro. La tecnologia avanzò rapidamente dopo lo sviluppo della PCR nel 1985.
La reazione a catena della polimerasi (PCR) è forse la più importante scoperta scientifica nella ricerca genetica. Kary Mullis inventò la PCR nel 1985. Il processo PCR permette agli scienziati di amplificare aree specifiche di DNA, producendo milioni di copie entro ore. La PCR impiega un enzima stabile al calore chiamato polimerasi TAQ, isolato da una specie batterica chiamata Thermus aquaticus, trovata vivente in sorgenti termali. In presenza di materie prime, la polimerasi TAQ sintetizza copie duplicate di DNA usando il DNA originale come stampo. I ricercatori possono determinare l'area esatta di DNA da amplificare includendo filamenti di DNA di 20 basi chiamati primer. I primer iniziano l'amplificazione accoppiandosi, o annealing, a un set corrispondente di basi sullo stampo di DNA. Tutte le nuove tecnologie sviluppate dal 1985 richiedono qualche derivato dell'amplificazione PCR.
Il sequenziamento DNA determina l'ordine esatto delle basi azotate. Il primo sviluppo dei metodi di sequenziamento etichettava ogni base con un'etichetta radioattiva durante la PCR. Il DNA amplificato sarebbe separato da una corrente elettrica e si muoverebbe attraverso un materiale simile a gel chiamato poliacrilammide. La tecnologia era limitata dal fatto che ogni composizione di base era determinata in corsie separate perché le etichette radioattive appaiono uguali quando lette da fotografia a raggi X. Una corsia sul gel era usata per ogni base. Lo sviluppo di coloranti fluorescenti automatizzò la tecnologia nei primi anni '90, e ogni base fu etichettata con un colore diverso. Mentre le basi si muovevano attraverso il gel, una telecamera digitale registrava i colori e inviava i dati a un sistema informatico collegato. Il sequenziamento automatizzato permise di determinare fino a 700 basi, contro la limitazione di 200 basi per le etichette radioattive.
Intorno al 1997, le tecniche di sequenziamento DNA furono ulteriormente sviluppate sostituendo lastre di vetro disordinate e poliacrilammide con capillari di vetro. I ricercatori non ebbero più bisogno di versare acrilammide tra due lastre di vetro e aspettare la formazione di gel simile a poliacrilammide prima del sequenziamento. Il sequenziamento invece fu eseguito usando un polimero denso simile a sciroppo derivato da poliacrilammide che fu iniettato con siringa in fibre di vetro cave. I campioni sono ancora amplificati usando PCR e coloranti fluorescenti, poi caricati automaticamente in capillari individuali per il sequenziamento. Il risultato fu più automazione nelle tecniche e la capacità di sequenziare un maggior numero di campioni in meno tempo. La maggior parte del genoma umano, tutti i 9 miliardi di basi, fu determinata usando il sequenziamento capillare.
Dopo aver determinato la sequenza DNA per un organismo specifico, il prossimo obiettivo nella ricerca era cercare variazioni tra organismi della stessa e diverse specie. Una ragione è analizzare differenze e somiglianze in sequenza DNA da specie diverse; perché gli umani sono umani e i gorilla non lo sono. Un'altra ragione è usare tecniche genetiche per determinare errori, o mutazioni, che causano malattie genetiche. La PCR in tempo reale impiega tecnologia simile alla PCR che incorpora un primer aggiuntivo etichettato fluorescentemente per marcare una sequenza specifica. Qualsiasi errore nel DNA impedisce al marcatore di fare annealing al filamento di DNA. La capacità del marcatore di fare annealing è misurata durante la PCR per determinare se una mutazione è presente.
L'analisi microarray a chip fu sviluppata poco dopo la PCR in tempo reale ed è principalmente usata per l'espressione genica, o per determinare quali geni in una cellula sono attivi. Non ogni gene nel genoma è attivo. L'attivazione di geni specifici determina la funzione di diversi tipi di cellule in organismi complessi; perché le cellule della pelle non sono cellule del fegato, per esempio. I ricercatori isolano il prodotto dei geni attivi nella forma di RNA messaggero, o mRNA, e usano tecniche PCR per produrre un complemento DNA. Il DNA campione è depositato su una piastra con sonde etichettate che fluoresceranno in presenza di DNA. Le piastre usate oggi possono testare contemporaneamente oltre 30.000 campioni alla volta.
Lo sviluppo più recente nelle tecnologie di analisi DNA sono i sequenziatori di nuova generazione. Il processo non è dissimile dal sequenziamento normale. Tuttavia, l'attrezzatura è capace di determinare intere sequenze genomiche isolate da batteri, 2 milioni di basi alla volta. Il processo incorpora PCR a emulsione, una tecnica che usa DNA incapsulato su una micro-perla o goccia d'olio. Migliora notevolmente l'efficienza delle normali tecniche PCR e permette di amplificare simultaneamente multiple aree di DNA. Il DNA amplificato è poi sequenziato usando sequenziatori di nuova generazione specializzati. Con lo sviluppo della tecnologia usata nella ricerca genetica, la genetica è diventata una delle aree di ricerca scientifica in più rapido sviluppo.
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