Dal DNA fingerprinting all’ingegneria genetica – come riconoscere qualcuno senza leggere il suo DNA base per base e come cambiargli i connotati

VERSIONE A: laboratorio virtuale sul DNA fingerprinting basato sui profili di restrizione

Pubblico in questo post un’idea didattica della bravissima professoressa Marta Firolli dell’ I.S.I.S.S. Dal Cero di San Bonifacio (VR).

Marta ha preparato questa attività di un’ora circa per spiegare agli studenti i concetti alla base della tecnica del DNA Fingerprinting quando si utilizzano enzimi di restrizione sui frammenti di DNA. Si tratta di un vero e proprio laboratorio virtuale nel quale si fa esperienza in pratica di una tecnica ancora prima di conoscerla e si apprendono in fretta e in modo chiaro concetti che risultano spesso complicati se spiegati solo teoricamente.

Partendo dal presupposto che un frammento di DNA può essere modellizzato come una stringa di caratteri, i ragazzi “tagliano” un testo ogni volta che compare la sequenza di caratteri “tt”, ottenendo così una serie di frammenti di diversa lunghezza. Dopo aver contato il numero di caratteri di ciascun frammento, gli studenti li mettono in ordine dal più grande al più piccolo.. proprio come in una elettroforesi e possono ritrovare il compagno di classe a cui era stato assegnato lo stesso testo confrontando banalmente il profilo di restrizione, senza aver mai letto il testo!

Potete scaricare il testo stampabile dell’attività da consegnare agli studenti e qui c’è anche una utile guida pratica per l’insegnante   che contiene anche tutte le informazioni per condurre un brain-storming sull’argomento dopo che i ragazzi hanno svolto l’attività pratica.

Ho sperimentato l’attività di Marta ed ha dato ottimi risultati con i miei studenti, ma poi ne ho fatta una versione mia che include sia il fingerprinting basato sui profili di restrizione che quello basato sull’amplificazione per PCR e inoltre dà la possibilità di accennare anche all’ingegneria genetica. Il laboratorio virtuale che vi propongo qua sotto può essere fatto da solo e può esser utilizzato come introduzione ad alcune attività di laboratorio sperimentale per le classi V (come ad esempio l’attività “chi è il colpevole” o l’attività “geni egoisti e popolazioni in movimento”).

VERSIONE B: laboratorio virtuale sul DNA fingerprinting (restrizione e PCR) e introduzione all’ingegneria genetica

La sequenza di nucleotidi del genoma umano è come la sequenza di lettere che compongono un testo, ogni libro ha una diversa sequenza di lettere e parole e una diversa storia da raccontare, ed è vero anche per il genoma di ciascuno di noi!

Il paragone sembra azzardato? Beh qualcuno il genoma umano lo ha stampato, carattere per carattere, guardate un po’ qui:

Quanto lungo è questo libro esattamente? Un intero genoma umano diploide è lungo circa 6.469,66 milioni di paia di nucleotidi (referenza: https://en.wikipedia.org/wiki/Human_genome)

E quanto diversi sono fra loro i libri stampati che raccontano ciascuno di noi? Nella gran parte dei casi, i genomi degli individui della specie umana risultano identici fra loro al 99.9%, indipendentemente dalla loro origine geografica. (referenza: https://en.wikipedia.org/wiki/Human_genome)

Facendo due conti lo 0,01% di lettere diverse su 6.469,66 Milioni di lettere fa comunque 646.966 lettere diverse. In percentuale è poco, ma è comunque un bel numero!

Come distinguiamo una storia dall’altra senza leggere tutti i 6 mila milioni di lettere? Possiamo iniziare cercando di leggere alcune delle 600 mila lettere, quelle che più frequentemente differiscono da un individuo all’altro.

Ecco una storia sulla quale lavorare: la storia del leone innamorato che non sapeva scrivere! (nel file ci sono 3 versioni della storia. la storia viene fornita in bianco nella prima pagina, con i siti di restrizione evidenziati nella seconda, con i primer evidenziati nella terza pagina. poi c’è la seconda versione di nuovo in bianco, poi con i siti, poi con i primer e quindi la terza, stessa modalità)

Restrizione

A ciascun gruppo di studenti viene distribuita una copia della storia, che, come vedete, è abbastanza lunga ed è scritta in modo tale che lo sfondo di ogni lettera segua una gradazione di grigio per 5 caratteri e ogni 10 ci sia una linea (quindi è facile contare). Ad una prima veloce lettura tutte le copie sembrano raccontare la stessa storia, e d’altronde è troppo lunga per pensare di controllare ogni preposizione ed ogni virgola.

Gli studenti possono evidenziare tutte le ricorrenze della parola “lettera” e tagliare subito dopo, ottenendo una serie di frammenti dei quali sarà facile contare la lunghezza (contano anche gli spazi vuoti, i punti e le virgole). Messi in fila i frammenti dal più lungo al più corto ognuno otterrà un profilo di restrizione e potrà stabilire se la sua storia è proprio uguale alle altre oppure no (nel file vi fornisco 3 diverse versioni della storia, potete anche produrne altre e decidere di distribuirle fra gli studenti in varie combinazioni: solo 2 uguali in tutta la stanza; uguali a coppie etc.)

Si può chiedere agli studenti di cercare la parola “lettera” ed evidenziare oppure fornire la versione con la parola già evidenziata. Si può chiedere di tagliare e mettere i frammenti in fila, oppure semplicemente di contare la lunghezza dei frammenti che si ottengono a partire da ogni parola lettera fino alla successiva. La soluzione corretta dovrebbe essere la seguente:

profilo di restrizione della versione 1	profilo di restrizione della versione 2	profilo di restrizione della versione 3
784	784	784
376	376	376
344	344	344
270	269	275
256	256	256
248	248	248
207	207	207
	182
	169	169
130	130	130
111
90; 89	89	89
84; 83	84; 83	84; 83
81; 79	79	79
64	64	64
		28
	12

Ritrovata la storia identica alla propria e riconosciuto che alcune sono diverse, non sarà però possibile dire in cosa differiscono una dall’altra, se il significato delle varie storie sia diverso o grosso modo uguale.

PCR

Per ottenere questa risposta possiamo fare un secondo esercizio: riprendiamo in mano la nostra storia integra e cerchiamo le sequenze di caratteri  “scrivergliene una lei.”  e “io volevo scrivere”. (Anche in questo caso possiamo chiedere agli studenti di cercare ed evidenziare le frasi, oppure fornirgli il testo con le frasi già evidenziate). Gli studenti contano solo il numero di caratteri compresi fra le due frasi, è sufficiente per distinguere le 3 versioni della storia.

Il risultato atteso è 

dimensioni PCR Versione 1 della storia	dimensioni PCR Versione 2 della storia	dimensioni PCR Versione 3 della storia
874	954	794

In modo molto più facile e mirato abbiamo potuto distinguere le varie versioni della storia, perchè sapevamo che la regione variabile era una sola nella storia: quella centrale. A questo punto il breve tratto evidenziato si può anche leggere e vedrete che in due casi su tre la giraffa viene divorata dal coccodrillo (una bella differenza!) e che si può leggere la lettera scritta dalla giraffa solo in due casi mentre nell’altro deve riscriverla il coccodrillo.

Ingegneria genetica

La ripetitività della storia si presta ad un ulteriore importante stimolo: la storia inizia con un leone innamorato che non sa scrivere e cerca qualcuno che possa scrivere per lui e finisce con il leone costretto a confessare alla leonessa di non saper scrivere. Fra l’inizio e la fine leggiamo varie peripezie, diverse in parte nelle tre versioni della storia. Gli studenti possono ora costruire la storia che vogliono selezionando per PCR (quindi usando come primer sequenze di caratteri specifiche e non ripetute nella storia) alcuni frammenti a loro scelta e ricostruendoli insieme nell’ordine che preferiscono. Possono fare ingegneria genetica su questa storia per ottenere la storia che vogliono (quali possono essere storie desiderabili e quali meno? bel problema morale su cui riflettere..)

E’ importante notare che non potrebbero costruire la storia che vogliono usando i frammenti di restrizione (provare per credere!), mentre possono farlo con la PCR. Questo è l’insegnamento più importante che traggono da questa esperienza per supportare le competenze sulle tecniche del DNA ricombinante.