Come estrarre il DNA dalle cellule

In questo articolo vedremo come estrarre, isolare e osservare il DNA di una fragola in pochi minuti. Sembra impossibile, ma grazie alle caratteristiche speciali delle fragole, è davvero possibile e semplice. Non devi essere un genetista per farlo, e non hai bisogno di un microscopio elettronico. È facile, divertente e tutto ciò di cui hai bisogno sono alcuni materiali domestici o di facile reperibilità. Una volta imparata la tecnica di base, vedremo alcune piccole varianti che ti permetteranno di fare lo stesso con il DNA delle tue cellule o di altri organismi viventi o meno (come, ad esempio, i piselli).

Come forse saprai, il DNA è presente in ogni cellula di tutte le piante e gli animali e determina tutti i tratti genetici del singolo organismo. Infatti, il DNA, o acido desossiribonucleico, è il materiale ereditario in quasi tutti organismi viventi. Quasi tutte le cellule del corpo di una persona hanno lo stesso DNA. La maggior parte del DNA si trova nel nucleo della cellula (dove è chiamato “DNA nucleare”), ma una piccola quantità di DNA può essere trovata anche nei mitocondri (dove è chiamata “DNA mitocondriale”).

L’informazione nel DNA è memorizzata come un codice composto da quattro basi chimiche: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Il DNA umano consiste di circa 3 miliardi di basi e più del 99% sono le stesse in tutte le persone. Una proprietà importante del DNA è che può replicare o fare copie di se stesso, fungendo come schema per duplicare la sequenza di basi che lo compongono.

La struttura a doppia elica del DNA ed esempi di coppie di basi che lo compongono.

Nel nucleo di ogni cellula, la molecola del DNA è impacchettata in strutture filiformi chiamate cromosomi. Ogni cromosoma è costituito da DNA strettamente arrotolato molte volte attorno a proteine chiamate istoni, che supportano la sua struttura. I cromosomi non sono visibili nel nucleo della cellula – nemmeno sotto un microscopio – quando la cellula non si divide. La maggior parte di ciò che i ricercatori conoscono sui cromosomi è stata appresa osservando i cromosomi durante la divisione cellulare.

Cosa occorre procurarsi  

Il materiale occorrente per realizzare questa esperienza è il seguente:

• 100 ml di alcool isopropilico
• Colorante alimentare blu
• Una bottiglia di plastica da 500 ml
• Alcune ciotole o contenitori di vetro
• Un misurino da cucina tarato in ml (opzionale)
• Detersivo liquido per piatti
• 1 cucchiaio di sale da tavola
• Un paio di pinzette
• Un paio di guanti
• Un po’ di frutta (ad es. fragole o banane)

L’alcool isopropilico (C₃H₈O) è un sostanza incolore e con un forte odore strettamente correlata al più familiare etanolo (C₃H₅OH), ovvero all’alcool che si trova nella birra, nel vino e nei superalcolici. A differenza dell’etanolo, però, l’alcol isopropilico non è adatto al consumo umano. Si può trovare in vendita per pochi euro su Internet (ad es. qui), con una purezza del 99%.

L’alcool isopropilico possiede molte delle proprietà chimiche dell’etanolo. Ad esempio, come l’etanolo, è solubile in acqua e ha un basso punto di ebollizione. Le proprietà dell’alcol lo rendono utile in molte applicazioni domestiche. Ad esempio, è un agente disinfettante e sterilizzante, perché uccide batteri, funghi e virus. Gli infermieri lo usano perciò per pulire la pelle dei patogeni prima di fare un’iniezione.

L’alcool isopropilico e delle fragole, i due ingredienti principali di questa esperienza. Puoi trovare l’alcool isopropilico online cliccando qui.

L’alcol isopropilico (noto anche come, isopropanolo) è adatto per tutti gli usi riguardanti la pulizia e lo sgrassaggio. Ad esempio, è il solvente di elezione per la preparazione finale, la pulizia e lo sgrassaggio di tutti i substrati prima di applicare un adesivo. Inoltre, è utile per la pulizia di molti adesivi non polimerizzati, sigillanti e resine. Ed è ottimo per la rimozione di oli leggeri, sporco, inchiostri e ossidi.

Una corretta comprensione dei rischi è essenziale prima dell’esposizione all’alcol isopropilico (come pure ad altre sostanze usate in qualsiasi nostro esperimento). Irritazioni esterne della pelle e degli occhi possono verificarsi a seguito di esposizione acuta a tale sostanza. Ovviamente non va ingerito e attenzione perché, se viene a contatto con una fiamma, può provocare un incendio.

Come effettuare l’esperienza

Indossati i guanti, travasa l’alcool isopropilico in una bottiglia di plastica più grande, e mettila in un congelatore: fai in modo che si refrigeri bene ma evita che si congeli diventando solido. Nel frattempo, metti 90 ml di acqua in un piccolo contenitore di vetro o di plastica. Aggiungi 2 cucchiaini (10 ml) di sapone liquido per i piatti all’acqua. Aggiungi anche un quarto di cucchiaino di sale e mescola fino a quando il sale non si scioglie. Questa è la miscela che permetterà l’estrazione del DNA.

Se vuoi estrarre il DNA da una fragola, metti una fragola in una busta di plastica con chiusura a cerniera. Versa la miscela di estrazione del DNA appena preparata nella busta con la fragola. Rimuovi quanta più aria possibile dalla busta e sigillala. Usa le mani e le dita per schiacciare, distruggere e sminuzzare la fragola all’interno della busta. Fai in modo di non lasciare pezzi di grandi dimensioni.

Versa la polpa di fragola risultante e la miscela di estrazione attraverso un colino, in modo che vada a finire in una ciotola di vetro di medie dimensioni o in un contenitore simile. Utilizza un cucchiaio per premere le punte di purea di fragola contro il filtro, forzando ancora più della miscela nel contenitore. Dal contenitore in cui si trova ora, versa la miscela di estrazione in un contenitore di vetro più piccolo che contiene da ¼ a ½ tazza (50-100 ml) di fluido. Ciò aiuterà ad isolare il DNA sulla superficie della miscela.

A questo punto aggiungi 1 cucchiaino (5 ml) di alcol isopropilico refrigerato alla soluzione e tieni la miscela all’altezza degli occhi. Infatti, stai cercando di ottenere una separazione del materiale, che si presenterà come uno strato bianco in cima. Questo è il DNA della fragola! Usa le pinzette per rimuovere delicatamente il DNA dalla soluzione e adagiarlo su un piatto – o su un vetrino da microscopio – per esaminarlo.

Per dare un’idea del tipo di risultato che si ottiene in questo tipo di esperimento, credo che non vi sia modo migliore che mostrare una delle molte figure inviatemi in originale dal mio amico Giorgio Carboni – senza dubbio uno dei più bravi scienziati dilettanti italiani, autore del sito Fun Science Gallery – relative a un esperimento di estrazione del DNA dalla frutta realizzato da sua figlia.

Un’immagine di come appare il DNA estratto dalla frutta. (fonte: Giorgio Carboni)

Infatti, ho avuto il piacere e la fortuna di conoscere la prima volta  Giorgio una quindicina di anni fa, a un convegno di microscopia amatoriale svoltosi a Pieve di Nievole, in Toscana. In seguito, gli proposi di realizzare un libro insieme, ma non ho mai potuto dedicare tempo a quel progetto, un po’ ambizioso. Ebbi comunque l’onore di poter regalare due miei lunghi articoli al suo bel sito.

Spiegazione e un’interessante variante

Per estrarre il DNA, ogni componente della miscela di estrazione svolge un ruolo. Infatti, il sapone per i piatti aiuta a dissolvere le membrane cellulari. Il sale viene aggiunto per far rilasciare i filamenti di DNA, rompendo le catene proteiche che tengono insieme gli acidi nucleici. Infine, il DNA non è solubile nell’alcol isopropilico, specialmente quando quest’ultimo è quasi ghiacciato.

Sebbene altri frutti siano morbidi e altrettanto facili da polverizzare, le fragole sono la scelta perfetta per un laboratorio di estrazione del DNA, per due ottime ragioni: (1) producono più DNA degli altri frutti e (2) sono octoploidi, il che significa che hanno otto copie di ciascun tipo di cromosoma del DNA. Le cellule umane, invece, sono generalmente diploidi, ovvero hanno due gruppi di cromosomi. Queste circostanze speciali rendono il DNA della fragola facile più facile da estrarre e da vedere.

La caratteristica doppia elica del DNA ed il suo “impacchettamento” in cromosomi.

Se vuoi estrarre invece il tuo DNA, metti l’acqua con il sale in una tazza. Mescola fino a quando il sale è sciolto. Trasferisci 3 cucchiai di acqua salata in una tazza separata. Fai dei gargarismi con acqua salata per 1 minuto. Non ingoiarla! Sputa l’acqua nella tazza. Aggiungi una goccia di detersivo liquido all’acqua salata. Mescola delicatamente. Cerca di non creare delle bolle.

A questo punto, in una tazza separata, mescola l’alcol isopropilico e 3 gocce di colorante alimentare. Versa delicatamente l’alcool e la miscela di colorante alimentare nella tazza di acqua salata. Inclina la tazza di acqua salata mentre si versa, in modo che la miscela di alcol formi uno strato sopra l’acqua salata. Attendi 2,5 minuti. Dovresti vedere ciuffi e stringhe bianche che si formano: sono il tuo DNA!

Infatti, quando fai i gargarismi con l’acqua salata e la sputi di nuovo fuori, alcune cellule delle tue guance vanno in sospensione nell’acqua salata. Più vigorosamente fai i gargarismi, più cellule delle guance si raccoglieranno nell’acqua salata. Quando fai i gargarismi, raccogli anche alcune cellule batteriche dall’interno della bocca, quindi il DNA che vedi è una miscela di tuo DNA e DNA batterico.

Con dei semplici gargarismi puoi prelevare del DNA dalla tua bocca.

Il detersivo liquido, poi, come al solito rompe le membrane delle guance. Ciò fa sì che il DNA venga rilasciato nell’acqua salata. Il DNA non è solubile in alcool, quindi forma un solido dove si incontrano gli strati di alcol e acqua salata. La maggior parte delle altre sostanze dalle tue guance rimangono disciolte nello strato di acqua salata. Le stringhe e i ciuffi bianchi che vedi sono migliaia di molecole di DNA raggruppate insieme. Le singole molecole di DNA sono troppo piccole per essere viste ad occhio nudo.

La “ricetta” per estrarre il DNA dai piselli

Dunque, ora che avete imparato le tecniche, potete sbizzarrirvi a estrarre il DNA da qualsiasi cosa che lo contenga. Dato che il DNA contiene il “codice” per la vita, tutto ciò che vive contiene DNA. Potete usare, ad esempio, i piselli spezzati verdi. Ma ci sono anche molte altre fonti di DNA, come: spinaci, fegato di pollo, broccoli, etc. Alcune fonti di DNA non dovrebbero essere usate, come: il tuo animale domestico, l’alluce della tua sorellina, insetti che hai catturato nel cortile.

Se ad esempio vuoi estrarre il DNA dai piselli, con il frullatore separa le cellule di pisello l’una dall’altra, quindi ora hai una zuppa di piselli davvero sottile. Versa la zuppa di piselli attraverso un colino in un altro contenitore (come un misurino). Aggiungi, al solito, del sale e 2 cucchiai di detersivo liquido (circa 30 ml) e agita per mescolare. Lascia riposare questa miscela per 5-10 minuti. Dopodiché versa il composto in provette o altri piccoli contenitori di vetro, riempiendoli per circa di 1/3.

Aggiungi un pizzico di enzimi proteolitici a ciascuna provetta e mescola delicatamente. Stai attento! Se mescoli troppo forte, spezzerai il DNA, rendendolo più difficile da vedere. Come enzimi, utilizza gli enzimi in polvere che si usano per la carne stagionata, come la papaina e la bromelina. La bromelina è presente in tutte le parti della pianta di ananas, ma la radice è la fonte commerciale più comune. Se non riesci a trovare la polvere suddetta, usa del succo di ananas, che però contiene poca bromelina.

Gli enzimi proteolitici in polvere usati per stagionare la carne.

Ora inclina la provetta e versare lentamente l’alcool (al 70-95% isopropilico o etilico) lungo il lato del tubo, in modo che formi uno strato sopra la miscela di piselli. Versa fino ad avere circa la stessa quantità di alcol nel tubo di quella della miscela di piselli. L’alcol è meno denso dell’acqua, quindi galleggia sopra. Cerca i soliti ciuffi di roba bianca e filante in cui si incontrano gli strati di acqua e alcol.

Il DNA è una molecola lunga e filante. Il sale che hai aggiunto nel primo passaggio lo aiuta a restare unito. Normalmente, il DNA rimane disciolto nell’acqua, ma quando il DNA salato entra in contatto con l’alcol diventa non disciolto. Questa si chiama “precipitazione”. La forza fisica del DNA che si aggrega mentre sale nell’alcool e precipita tira altri fili insieme ad esso, creando i ciuffi e le stringhe.

Ora che hai estratto con successo il DNA da almeno una delle fonti proposte, sei pronto per sperimentare ulteriormente. Prova queste idee o alcune delle tue: ad esempio, quale fonte ti dà più DNA? Sperimenta con diversi saponi e detergenti. I saponi in polvere funzionano come i detersivi liquidi? Che ne dici di uno shampoo? Prova a modificare la quantità di ogni ingrediente che usi nei vari passaggi.