Kary Mullis: lo scienziato che surfava tra le onde del DNA

Caldo torrido, quel giorno, a Mendocino County. Era maggio: da est soffiava un vento secco, e nessuno si era reso conto di quanto avesse fatto caldo fino a quando, verso il tramonto, il vento cessò. Non è una scena tratta da un film di Sergio Leone bensì l’inizio di un weekend che cambierà per sempre la storia della biologia e della scienza in generale.
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Illustrazioni Francesco Montesanti
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Biologia e Comunicazione della Scienza
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Illustratore freelance

Caldo torrido, quel giorno, a Mendocino County. Era maggio: da est soffiava un vento secco, e nessuno si era reso conto di quanto avesse fatto caldo fino a quando, verso il tramonto, il vento cessò.

Non è una scena tratta da un film di Sergio Leone bensì l’inizio di un weekend a stelle e strisce che cambierà per sempre la storia della biologia e della scienza in generale.
Il protagonista di questa storia è Kary Mullis da Lenoir in North Carolina. Fin da bambino è sempre stato interessato a “pasticciare” con la chimica, al punto che la madre, che si occupa di proprietà immobiliari, è preoccupata che possa farsi del male.
Il piccolo Kary si diverte, nel ripostiglio degli attrezzi di suo padre, con un gioco che probabilmente tutti noi abbiamo avuto: il Piccolo Chimico. Certo, lui forse lo usava in maniera un po’ diversa, dato che riuscì a costruire, con quel poco che aveva a disposizione, razzi rudimentali e a creare miscele esplosive.
Nel 1962 si diploma alla Dreher High School di Columbia, dove è ben noto per il suo irriverente senso dell’umorismo, quanto per il fatto di essere straordinariamente portato per le materie scientifiche: nell’ultimo anno ricopre anche l’incarico di vicepresidente del corpo studentesco.
Arrivato senza grossi incidenti all’età dell’università, può diventare un chimico di professione, grazie agli studi al Georgia Institute of Technology e, poi, all’Università della California a Berkley, lo stesso campus dove nel 1971 era nata la Cetus per cui lavorerà più tardi. Ma prima di diventare uno scienziato, prova a farsi strada come scrittore e per due anni lavora come gestore di un forno. Due piccole parentesi – senza successo – che lasciano capire come Kary non corrispondesse all’immagine standard dello scienziato.
Nel 1979 entra alla Biotecnologie Cetus. Il suo lavoro era piuttosto semplice: si limitava a sintetizzare oligonucleotidi per diversi scopi, a seconda della domanda del laboratorio richiedente (sonde per screening di geni clonati e sintesi di cDNA). Solo in seguito Mullis lavorerà a un progetto per l’analisi di una mutazione genetica che provoca l’anemia falciforme. È in questo contesto che lo scienziato si rende conto come non avere molto DNA a disposizione fosse un grosso problema: i malati avrebbero potuto aspettare molto, troppo tempo per avere risposte e delle cure.
Tra un’analisi genetica e pomeriggi dedicati a scivolare sulle onde Mullis ha un’idea fissa: poter avere a disposizione un tecnologia in grado di ottenere un numero infinito di copie di una determinata sequenza di DNA su cui poi poter fare diverse analisi in parallelo, abbattendo i tempi.
Ed eccoci quindi a quel venerdì sera del 1983. Kary guidava la sua piccola Honda argentata sulla Highway 128 per raggiungere l’Anderson Valley.
Mentre le mani seguivano la strade e le curve, la mente tornava in laboratorio. Filamenti di DNA si avvolgevano e volteggiano nell’aria: immagini di molecole elettrificate colorate di rosa e blu scuro si infilavano tra gli occhi di Mullis e la strada. Ed ecco accendersi la lampadina oppure per dirla con le parole del compianto Perozzi il genio con fantasia, decisione e velocità d’esecuzione intuisce che poteva ottenere un numero strabiliante di copie di un preciso filamento di DNA con una reazione semplice, per la quale erano già noti tutti gli ingredienti. «Era tutto così banale che non riuscivo a credere che nessuno lo avesse già pensato e fatto prima, racconta Mullis . A Mendocino non avevo telefono, il lunedì mattina mi precipitai in biblioteca prestissimo al mattino. Scoprii che nessuno aveva mai amplificato il DNA, né la cosa per la verità parve interessare granché i miei colleghi. C’è voluto tempo prima che fosse intuita la portata della scoperta e perfino Nature e Science, le riviste scientifiche più importanti, rifiutarono il mio primo lavoro sulla PCR dicendomi che poteva essere utile solo a una ristretta cerchia di specialisti».

Illustrazioni di Francesco Montesanti

UN PO’ COME IN CUCINA
La PCR è un processo ciclico fatto di tappe che si ripetono molte volte. Le tappe di questo processo ciclico vengono ripetute al fine di produrre copie multiple di un determinato frammento di DNA.
– i filamenti di DNA a doppia elica, sottoposti a riscaldamento, si separano in filamenti singoli (denaturazione);
– si aggiunge alla soluzione un breve primer sintetizzato artificialmente, insieme ai quattro desossiribonucleosidi trifosfati e alla DNA polimerasi;
– la DNA polimerasi catalizza la produzione di nuovi filamenti complementari.
In pochi minuti, un singolo ciclo può raddoppiare la quantità di DNA presente in soluzione e lo riporta allo stato di doppio filamento. La ripetizione del ciclo per molte volte produce una crescita esponenziale del numero di copie della sequenza di DNA; per questo il processo prende il nome di amplificazione della sequenza.
La tecnica della PCR richiede la conoscenza delle sequenze di basi all’estremità 3′ di ciascun filamento della sequenza bersaglio, in modo da costruire in laboratorio il primer complementare, di solito della lunghezza di 15-20 basi. Data la peculiarità di questa sequenza, nel genoma di un organismo di solito ci sarà una sola regione del DNA a cui potranno legarsi due primer di questa lunghezza. Questa specificità, a fronte dell’incredibile diversità del DNA bersaglio, è la chiave della potenza della PCR.
All’inizio esisteva un problema con la PCR: i requisiti termici. Per denaturare il DNA, infatti, bisogna scaldarlo a più di 90 °C, una temperatura che distrugge la DNA polimerasi. Se però fosse necessario aggiungere nuova polimerasi dopo ogni ciclo di denaturazione, la PCR sarebbe impraticabile.
Il problema è stato risolto dalla natura: in alcuni geyser, come anche in altre sorgenti termali, vive un batterio chiamato Thermus aquaticus. Portando avanti una ricerca di base, Thomas Brock e i suoi collaboratori scoprirono che questo organismo poteva sopravvivere a temperature fino a 95 °C grazie a un apparato metabolico termoresistente, completo di una DNA polimerasi (chiamata Taq polimerasi o polimerasi termostabile) che non si denatura ad alte temperature. In questo modo è possibile compiere più cicli di PCR. Dopo aver letto l’articolo di Brock, Mullis pensò di usare la Taq polimerasi per la PCR; l’idea funzionò.

Illustrazioni di Francesco Montesanti

BALLANDO NUDI NEL CAMPO DELLA MENTE
Poche invenzioni hanno rivoluzionato in maniera così drastica e repentina il corso della biologia molecolare come la PCR. Viene utilizzata di routine non solo nei laboratori di genetica, biochimica, microbiologia, biologia molecolare e virologia, ma anche in medicina forense, in oncologia in botanica ed in zoologia, coprendo tutto il ventaglio delle discipline che hanno in qualche modo a che fare con le scienze della vita.
Ironia della sorte l’articolo che Mullis scrive per illustrare la PCR non viene accettato da Nature, probabilmente perché dalle parti della redazione britannica si erano appuntanti il nome di Kary che ai tempi dei suoi studi a Berkeley (1973) mandò Nature un articolo inventato di sana pianta nel quale sosteneva che metà della materia dell’universo andrebbe all’indietro nel tempo. L’articolo beffa fu pubblicato. Un ventennio dopo propose alla stessa rivista il lavoro in cui documentava la tecnica del PCR che gli avrebbe valso il Nobel, e non fu pubblicato; “Questa esperienza mi insegnò un paio di cose e mi fece crescere un bel po’”.
Proprio il Premio Nobel vinto da Mullis nel 1993 piazza il ricercatore statunitense e la sua tavola da surf sulla copertina di quasi tutti i giornali del mondo. Uno scienziato tanto geniale e tanto fuori dagli schemi che non poteva rimanere fuori dal processo più importante e televisivo degli anni ’90 quello di O. J. Simpson. Anche in quell’occasione Mullis non si tirò indietro sottolineando le lacune del sistema giudiziario americano che non mette al centro il giudizio tecnico di uno scienziato ma solo la sua capacità nel saper rispondere alle domande con semplici sì o no.
Le storie, le avventure e le idee stravaganti di Mullis sono raccolte in “Ballando nudi nel campo della mente”, dal titolo si intuisce subito che è un libro da leggere per conoscere meglio lo scienziato che in un solo weekend ha cambiato la storia della biologia.

p.s: Oggi Mullis non fa più ricerca ma potete incontrarlo per conferenze in giro per il mondo. Attenzione a salutarlo però con un banale “Buonasera Dottore!”, potrebbe scambiarvi per un alieno piuttosto educato!

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