L'estrazione del DNA

Spiega con parole tue che cosa significa estrarre il DNA da una cellula eucariote e cita due materiali semplici da cui si possono ottenere le cellule per l'attività pratica (per esempio, la mucosa della guancia o un frutto). Perché conviene triturare bene il materiale prima di iniziare?

Nell'attività pratica di estrazione del DNA si usano un detersivo per piatti, sale e alcol molto freddo. Spiega il ruolo di ciascun reagente: quali strutture della cellula scioglie il detersivo, a che cosa serve il sale e che cosa succede al DNA quando entra in contatto con l'alcol.

Spiega perché per estrarre il DNA va bene quasi qualsiasi tessuto, per esempio una foglia di lattuga o un pezzo di pollo, purché le sue cellule abbiano il nucleo. Che cosa hanno in comune tutte queste cellule?

Il detersivo per piatti scioglie le membrane cellulari perché queste sono formate da un doppio strato di fosfolipidi. Spiega l'analogia con ciò che fa il detersivo quando lava un piatto unto e che cosa accade allora al contenuto della cellula.

Osserva lo schema della provetta al termine dell'attività di estrazione del DNA. Identifica che cosa indicano i segnaposto ?1, ?2 e ?3 (lo strato di alcol, l'estratto acquoso con il DNA disciolto e i filamenti di DNA che compaiono nella zona di contatto) e spiega perché il DNA si concentra proprio in quella zona.

Nella provetta il DNA passa dall'essere disciolto nell'estratto a formare un precipitato di filamenti quando si aggiunge l'alcol. Spiega se la molecola di DNA è cambiata chimicamente in questo processo o ha cambiato solo il suo stato fisico, e confrontalo con ciò che accade al sale quando precipita in acqua.

L'alcol dell'attività deve essere molto freddo e va versato con cura, in modo da formare uno strato sopra l'estratto senza mescolarsi con esso. Spiega quale vantaggio ha, per la solubilità del DNA, il fatto che l'alcol sia freddo e perché conviene che i due strati non si mescolino.

Alla fine dell'attività compare, nella zona di contatto tra l'estratto e l'alcol, una specie di nuvola biancastra formata da filamenti. Descrivi che cosa si osserva e spiega che cosa è realmente quel materiale — non è una singola molecola né il DNA di una sola cellula — e perché è visibile a occhio nudo se una molecola di DNA non lo è.

Il DNA è solubile nell'estratto acquoso con sale, ma insolubile nell'alcol freddo, mentre molte proteine e residui di membrana restano nel liquido. Spiega la differenza tra sciogliere e precipitare e perché questo cambiamento di solubilità permette di separare il DNA da gran parte delle impurità.

Dopo aver triturato il materiale con la miscela di estrazione, l'attività prosegue filtrando il tutto. Spiega che cosa viene trattenuto dal filtro, che cosa passa nel bicchiere e perché conviene eliminare la parte solida.

Elenca il materiale di laboratorio necessario per l'attività di estrazione del DNA (becher, colino o filtro, provetta, bacchetta di vetro) e spiega a che cosa serve ciascuno.

Anche se l'attività usa ingredienti da cucina, si svolge in un laboratorio. Cita due norme di sicurezza che devi rispettare (per esempio, non assaggiare nulla e tenere l'alcol lontano da qualsiasi fiamma) e spiega il motivo di ciascuna.

Questi passaggi dell'attività di estrazione del DNA sono in disordine: aggiungere l'alcol molto freddo lungo le pareti della provetta senza agitare; triturare il materiale; preparare la miscela di acqua, sale e detersivo; filtrare il tutto; raccogliere i filamenti di DNA con una bacchetta. Mettili in ordine e giustifica perché ogni passaggio deve trovarsi in quella posizione.

Progetta un esperimento per verificare da quale frutto, tra banana, kiwi e fragola, si ottiene più DNA con lo stesso protocollo. Indica quali variabili manterresti costanti perché il confronto sia equo e quale misureresti per confrontare i risultati.

Un compagno propone di estrarre DNA umano da una goccia di sangue. Spiega perché i globuli rossi non servono per questa attività e quali cellule del sangue bisognerebbe usare al loro posto.

Una cellula umana contiene circa $6\ \text{pg}$ di DNA ($6 \cdot 10^{-12}\ \text{g}$). Stima quante cellule servirebbero per ottenere $1\ \text{mg}$ di DNA e spiega perché nella pratica serve triturare una buona quantità di materiale.

Una molecola di DNA ha uno spessore di circa $2\ \text{nm}$, mentre i filamenti che si vedono nell'attività misurano alcuni decimi di millimetro, per esempio $0{,}5\ \text{mm}$. Stima quante molecole di DNA raggruppate stanno nello spessore di un filamento e metti in relazione il risultato con il fatto che il DNA precipitato sia visibile a occhio nudo.

Vuoi estrarre il DNA da una fragola e da una cipolla applicando lo stesso protocollo. Spiega quali aggiustamenti potrebbero servire nella triturazione o nella quantità di detersivo a seconda della durezza di ciascun tessuto, e prevedi da quale ti aspetti di ottenere più DNA visibile, sapendo che la fragola è octoploide: le sue cellule hanno otto corredi cromosomici invece di due.

Durante l'attività di estrazione del DNA vegetale, tre gruppi ottengono risultati fallimentari:

• Gruppo A: ha triturato il tessuto vegetale in un frullatore alla massima potenza per dieci minuti e non osserva filamenti, solo un liquido torbido senza filamenti definiti.

• Gruppo B: ha aggiunto alcol al 96 % a temperatura ambiente ($22\ ^\circ\text{C}$) invece di raffreddarlo prima a $-20\ ^\circ\text{C}$, e osserva pochissimo precipitato all'interfaccia.

• Gruppo C: ha agitato energicamente la provetta con una bacchetta subito dopo aver versato l'alcol e le fibre che cominciavano ad aggregarsi si sono disfatte.

Giustifica che cosa è successo a livello fisico o molecolare in ciascun caso per spiegare il fallimento dell'estrazione.

In un'indagine forense si raccoglie un minuscolo campione biologico (un capello con radice che contiene appena qualche decina di cellule). Uno studente afferma: «Possiamo usare il protocollo casalingo della fragola: trituriamo, aggiungiamo detersivo, sale e alcol, e poi leggiamo i geni con una lente». Confuta la sua affermazione identificando tre limiti insuperabili di questo metodo scolastico e giustifica quali tecniche avanzate (come l'amplificazione tramite PCR o la purificazione enzimatica) sono indispensabili in un laboratorio reale per analizzare il campione.

Un gruppo di studenti vuole adattare il protocollo di estrazione del DNA vegetale al tessuto animale (petto di pollo). Propongono di eliminare due passaggi: la triturazione meccanica iniziale (perché la carne è più morbida di una parete vegetale) e l'aggiunta di detersivo (perché le cellule animali non hanno parete cellulare).

Valuta criticamente le loro due proposte: giustifica se è corretto fare a meno di ciascuno di questi passaggi in base all'organizzazione delle cellule animali e prevedi che cosa otterrebbero se eliminassero il detersivo.

Al termine dell'attività con fragola e kiwi, uno studente confronta le due provette e afferma: «Il DNA di entrambi i frutti ha esattamente lo stesso aspetto (una massa biancastra e filamentosa). Questo dimostra che a livello molecolare il DNA di tutte le specie è identico e che l'estrazione non serve a distinguerle». Confuta la sua conclusione distinguendo quale parte della molecola di DNA è universale per tutti gli esseri viventi e quale è invece quella che contiene realmente l'informazione che permette a un laboratorio di sequenziare e identificare la specie.

Per identificare un sospettato, un laboratorio taglia i campioni di DNA con enzimi e sottopone i frammenti a elettroforesi su gel di agarosio:

1. a) Se il DNA ha carica netta negativa a causa dei suoi gruppi fosfato, deduci in modo ragionato verso quale polo elettrico (positivo o negativo) migreranno i frammenti quando si collega la corrente.
2. b) Se un campione contiene frammenti di DNA di $300$ coppie di basi e altri di $2500$ coppie di basi, prevedi quali resteranno più lontani dal pozzetto di caricamento nella maglia del gel e giustifica il motivo fisico.
3. c) Interpreta che cosa significherebbe che il profilo a bande del sospettato coincida esattamente in posizione e numero con quello del campione trovato sulla scena del crimine.

Il DNA ottenuto con il protocollo scolastico non è puro: precipita insieme a proteine (istoni) e lipidi. Una squadra propone di aggiungere succo di ananas naturale (ricco di bromelina, un enzima proteasi) al filtrato prima di aggiungere l'alcol. Un'altra squadra propone di riscaldare il filtrato a $100\ ^\circ\text{C}$ per $15$ minuti per eliminare le impurità proteiche.

Valuta entrambe le proposte: giustifica quale delle due è adeguata spiegando l'azione della proteasi sugli istoni e prevedi l'effetto controproducente che avrebbe sulla molecola di DNA il far bollire il campione.