La struttura del DNA

In breve

Il 25 aprile 1953 la rivista Nature pubblica un breve articolo di James Watson e Francis Crick che propone per il DNA una struttura a doppia elica: due filamenti complementari avvolti l’uno sull’altro, tenuti insieme da coppie di basi che si accoppiano sempre allo stesso modo. La forma stessa del modello suggerisce subito come l’informazione genetica possa essere copiata fedelmente a ogni divisione cellulare. Il risultato si appoggia in modo decisivo sui dati di cristallografia a raggi X prodotti al King’s College London da Rosalind Franklin, in particolare sulla celebre “fotografia 51”, ottenuti da Watson e Crick senza il consenso esplicito della ricercatrice. Nel 1962 il Nobel per la medicina va a Watson, Crick e Maurice Wilkins; Franklin, morta nel 1958, non può essere inclusa, e da allora il suo ruolo è oggetto di un dibattito storiografico mai del tutto sopito.

Contesto

Che il materiale ereditario risiedesse negli acidi nucleici, e non nelle proteine come si era a lungo creduto, era diventato plausibile solo pochi anni prima: nel 1944 Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty avevano mostrato che il DNA estratto da batteri pneumococchi poteva trasferire un carattere ereditabile da un ceppo all’altro. Restava però un problema aperto e cruciale: nessuno sapeva come fosse fatta, dal punto di vista chimico e tridimensionale, la molecola che doveva svolgere un compito così specifico — conservare un’informazione e trasmetterla intatta di generazione in generazione.

All’inizio degli anni Cinquanta la caccia alla struttura del DNA impegnava contemporaneamente più gruppi di ricerca. A Cambridge, presso il Cavendish Laboratory, Francis Crick — fisico riconvertito alla biologia — e il giovane genetista americano James Watson costruivano modelli molecolari tridimensionali, un metodo già usato con successo da Linus Pauling per svelare la struttura elicoidale delle proteine. Proprio Pauling, al California Institute of Technology, era un concorrente temibile: nel febbraio 1953 aveva pubblicato un modello di DNA a tripla elica che si sarebbe presto rivelato chimicamente insostenibile. A Londra, al King’s College, un gruppo diretto da John Randall applicava invece la cristallografia a raggi X direttamente alle fibre di DNA: ne facevano parte Maurice Wilkins, che aveva avviato gli studi sul DNA fin dal 1950, e Rosalind Franklin, chimico-fisica arrivata al King’s nel gennaio 1951 dopo un periodo di ricerca a Parigi. Tra Wilkins e Franklin i rapporti di lavoro erano tesi fin dall’inizio, anche per un equivoco sui ruoli reciproci nel progetto, e questa tensione avrebbe pesato sugli eventi dell’anno successivo.

Un altro tassello essenziale veniva dalla chimica: Erwin Chargaff aveva osservato, all’inizio degli anni Cinquanta, che nel DNA la quantità di adenina è sempre pari a quella di timina, e quella di guanina pari a quella di citosina — una regolarità (nota come regola di Chargaff) di cui nessuno sapeva ancora spiegare il significato strutturale.

Svolgimento

Nel maggio 1952 Rosalind Franklin, lavorando con lo studente di dottorato Raymond Gosling, ottiene una fotografia di diffrazione a raggi X della forma “B” del DNA — idratata, più ordinata di quella “A” che Franklin stava privilegiando nei suoi studi — di qualità eccezionale: passerà alla storia come “fotografia 51”. L’immagine, con la sua caratteristica figura a X, indica in modo quasi diretto una struttura elicoidale, ma Franklin, per rigore metodologico, preferisce accumulare altri dati prima di pubblicare conclusioni definitive sulla forma della molecola.

Nel gennaio 1953 Wilkins mostra la fotografia 51 a Watson, in visita al King’s College, senza informarne né chiedere il consenso di Franklin, alla quale l’immagine apparteneva. Pochi giorni dopo, un rapporto interno del Medical Research Council con dati non pubblicati di Franklin — tra cui misure cristallografiche cruciali sulla cella elementare del DNA — viene messo a disposizione di Crick tramite Max Perutz, che dirigeva l’unità del Cavendish di cui il rapporto faceva parte. Con questi elementi, uniti alla propria conoscenza della regola di Chargaff, Watson e Crick costruiscono in poche settimane un modello fisico di due catene elicoidali antiparallele, con le basi azotate rivolte verso l’interno e appaiate secondo uno schema preciso — adenina con timina, guanina con citosina — che spiega perché le quattro basi siano sempre presenti in quelle proporzioni.

Il 25 aprile 1953 Nature pubblica l’articolo di Watson e Crick, intitolato “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, appena oltre novecento parole più una figura, che si chiude con una delle frasi più citate della biologia del Novecento: non è sfuggito loro che l’appaiamento specifico delle basi suggerisce subito un possibile meccanismo di copia del materiale genetico. Nello stesso numero della rivista compaiono, fianco a fianco, un articolo di Wilkins con i colleghi Stokes e Wilson e uno di Franklin con Gosling, entrambi basati sui dati sperimentali di diffrazione raccolti al King’s College, presentati come conferma indipendente del modello proposto da Cambridge.

Franklin lascia il King’s College nello stesso 1953 per il Birkbeck College, dove dirige un gruppo di ricerca sulla struttura del virus del mosaico del tabacco e di altri virus, ottenendo risultati di rilievo internazionale. Muore di cancro ovarico il 16 aprile 1958, a trentasette anni.

Il 10 dicembre 1962 il premio Nobel per la fisiologia o la medicina viene assegnato congiuntamente a Watson, Crick e Wilkins “per le loro scoperte riguardanti la struttura molecolare degli acidi nucleici e il suo significato per il trasferimento dell’informazione nella materia vivente”. Il regolamento del Nobel non prevede assegnazioni postume, e comunque limita a tre il numero massimo di premiati per ciascun riconoscimento: anche se Franklin fosse stata ancora in vita, la sua inclusione formale sarebbe stata tutt’altro che scontata.

Conseguenze

Nel breve periodo, il modello a doppia elica offre per la prima volta un’ipotesi verificabile sul meccanismo di replicazione del DNA. La conferma sperimentale arriva nel 1958, quando Matthew Meselson e Franklin Stahl dimostrano, con un elegante esperimento di marcatura isotopica, che la replicazione è “semiconservativa”: ciascun filamento della doppia elica funge da stampo per la sintesi di uno nuovo, esattamente come il modello di Watson e Crick prevedeva.

Sul piano più ampio, la scoperta apre la strada alla decifrazione del codice genetico, completata negli anni Sessanta soprattutto grazie al lavoro di Marshall Nirenberg e Har Gobind Khorana, che stabilisce come le triplette di basi del DNA specifichino gli amminoacidi delle proteine. Da qui nasce, in senso pieno, la biologia molecolare come disciplina autonoma, con conseguenze che si dispiegano nei decenni successivi ben oltre il laboratorio: le tecniche del DNA ricombinante degli anni Settanta, la reazione a catena della polimerasi (PCR) introdotta nel 1983, il sequenziamento del genoma umano completato nel 2003, la genetica forense, la diagnostica genetica delle malattie ereditarie e, più di recente, le tecniche di editing genomico come CRISPR poggiano tutte, in ultima istanza, sulla comprensione della struttura chimica proposta in quell’articolo di poche pagine del 1953.

Nel frattempo altrove

• 1946I test nucleari nel Pacifico — Oceania
• 1947Indipendenza e partizione — Asia meridionale
• 1948La nascita di Israele — Medio Oriente
• 1949La Cina popolare — Asia orientale
• 1956Il container — Americhe
• 1957L'anno dell'Africa — Africa
• 1957Sputnik — Asia meridionale

Come lo sappiamo

L’articolo originale di Watson e Crick, pubblicato su Nature il 25 aprile 1953, e i due articoli di accompagnamento di Wilkins-Stokes-Wilson e di Franklin-Gosling nello stesso numero, restano le fonti primarie dell’episodio. Il modello molecolare fisico costruito al Cavendish Laboratory nel 1953 è conservato presso il Science Museum di Londra; taccuini di laboratorio e corrispondenza di Crick, Wilkins e Franklin sono depositati rispettivamente al Wellcome Collection e al King’s College London Archives.

Il resoconto più discusso resta quello dello stesso Watson, pubblicato nel 1968 come The Double Helix: un memoriale scritto in prima persona che descrive con toni spesso sprezzanti il carattere di Franklin (chiamata “Rosy”) e minimizza il suo contributo scientifico, presentandolo quasi come un ostacolo caratteriale piuttosto che come un apporto di dati decisivo. Il libro suscitò proteste già prima della pubblicazione da parte di Crick, Wilkins e di colleghi di Franklin, e restò per decenni la narrazione dominante presso il grande pubblico. La biografia di Anne Sayre, Rosalind Franklin and DNA (1975), scritta da un’amica personale di Franklin, fu il primo tentativo sistematico di correggere quel ritratto, sostenendo che i dati di Franklin — in particolare la fotografia 51 e il rapporto del Medical Research Council — furono usati da Watson e Crick senza che lei ne fosse informata né avesse dato un consenso, e che il suo contributo scientifico non ricevette mai un riconoscimento pari a quello degli altri tre. La biografia di Brenda Maddox, Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA (2002), basata su un accesso più ampio a documenti d’archivio e a testimonianze dirette, ha offerto un ritratto più sfumato, che riconosce sia il valore scientifico autonomo di Franklin sia la scorrettezza procedurale con cui i suoi dati non pubblicati circolarono a sua insaputa, senza però trasformarla in una vittima priva di agentività scientifica propria.

Resta storiograficamente aperto, e probabilmente non risolvibile in modo definitivo, quanto Franklin fosse realmente vicina, nel 1953, a formulare autonomamente un modello a doppia elica corretto: i suoi appunti di laboratorio, discussi da Judson in The Eighth Day of Creation (1979) e riesaminati da storici successivi, mostrano che si stava avvicinando a conclusioni simili, ma il dibattito su quanto quel percorso fosse già maturo, e su quanto pesasse invece l’uso non autorizzato dei suoi dati nella rapidità con cui Watson e Crick arrivarono al traguardo, continua a dividere storici della scienza e biografi.

Approfondimenti

• James D. Watson, Francis H. C. Crick, “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Nature, vol. 171, 1953.
• James D. Watson, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA, Atheneum, 1968.
• Anne Sayre, Rosalind Franklin and DNA, W. W. Norton & Company, 1975.
• Brenda Maddox, Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA, HarperCollins, 2002.
• Horace Freeland Judson, The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, Simon & Schuster, 1979.