The Embryo Project Encyclopedia

L’ipotesi un gene-un enzima, proposta da George Wells Beadle negli Stati Uniti nel 1941, è la teoria che ogni gene produce direttamente un singolo enzima, che di conseguenza influenza un passo individuale in una via metabolica. Nel 1941, Beadle dimostrò che un gene in un moscerino della frutta controllava una singola e specifica reazione chimica nel moscerino della frutta, che un enzima controllava. Negli anni ’50, la teoria che i geni producono enzimi che controllano un singolo passo metabolico è stata soprannominata l’ipotesi un gene-un enzima da Norman Horowitz, un professore del California Institute of Technology (Caltech) e un associato di Beadle. Questo concetto ha aiutato i ricercatori a caratterizzare i geni come molecole chimiche, e li ha aiutati a identificare le funzioni di quelle molecole.

I tre scienziati coinvolti nello sviluppo della teoria un gene-un enzima erano Boris Ephrussi, Edward Lawrie Tatum e Beadle, ma poiché Beadle ha partecipato a tutti gli esperimenti che hanno portato alla costruzione della teoria, gli altri hanno concesso che Beadle ha avuto il ruolo più significativo nella sua nascita. Ephrussi lavorava all’Institut de Biologie Physico-chimique (Istituto di Biologia Fisico-chimica) a Parigi, in Francia, e studiava i geni dei moscerini della frutta Drosophila melanogaster. Incontrò Beadle, che lavorava al Caltech di Pasadena, California, dopo aver ricevuto una borsa di studio Rockefeller nel 1930 che gli permise di fare ricerca lì dal 1934 al 1935. Al Caltech, Beadle e Ephrussi studiarono i fattori genetici della pigmentazione degli occhi in Drosophila melanogaster.

Al Caltech, Beadle e Ephrussi sperimentarono con moscerini della frutta mutanti dal 1934 al 1937. Nel tentativo di spiegare il colore degli occhi delle mosche attraverso componenti genetiche, Beadle e Ephrussi trasferirono tessuti larvali che normalmente sarebbero diventati occhi adulti da un embrione larvale a un altro embrione e registrarono i risultati. Utilizzando ventisei mutanti che avevano colori degli occhi diversi l’uno dall’altro, Beadle e Ephrussi trapiantarono il tessuto degli occhi di una mosca di ogni tipo di mutante nella regione addominale di un moscerino della frutta wild-type, o normale. In tutti i casi tranne due, gli occhi trapiantati negli addomi si sono sviluppati con il colore dell’occhio mutante. Così, le larve avevano occhi normali e l’occhio addominale trapiantato e vestigiale. Questo risultato ha suggerito che erano i geni larvali nelle cellule dei tessuti trapiantati, piuttosto che l’ambiente dei tessuti larvali, che ha portato al colore degli occhi mutante.

Le due eccezioni hanno coinvolto larve di mosca che avrebbero sviluppato il colore degli occhi vermiglio (v) e cinabro (cn), colori che erano mutazioni lontano dal normale colore degli occhi di marrone. Quando i tessuti di questi mutanti sono stati trapiantati nel wild-type, il tessuto oculare trapiantato si è sviluppato nel colore degli occhi wild-type, piuttosto che nel rispettivo colore mutante. Beadle e Ephrussi hanno dedotto da questi risultati che qualche sostanza si diffondeva nel tessuto larvale mutante dal tessuto ospite circostante che portava allo sviluppo del normale colore dell’occhio wild-type. Essi ipotizzarono che i fattori vermiglio e cinabro wild-type fossero geni che codificavano per enzimi necessari per la produzione di sostanze in grado di causare lo sviluppo degli occhi wild-type. Quindi, anche se l’idea di un gene e di un enzima ha guadagnato popolarità solo dopo gli esperimenti di Beadle e Tatum su Neurospora, la teoria ha avuto origine dai precedenti esperimenti di Beadle ed Ephrussi con Drosophila.

Dopo che Ephrussi lasciò il Caltech nel 1935, Beadle lavorò con Edward Tatum alla Stanford University di Palo Alto, California, nel 1937. Beadle e Tatum lavorarono per determinare esattamente come i geni regolavano gli enzimi e controllavano le reazioni biochimiche. Prima di questo periodo, pochi ricercatori negli Stati Uniti cercavano le cause genetiche delle reazioni chimiche, e il campo della biochimica si era sviluppato in gran parte in un contesto medico, mentre la genetica si era sviluppata nel contesto agricolo. Per chiarire il meccanismo di funzionamento dei geni e per esplorare ulteriormente le questioni derivanti dagli esperimenti sulla Drosophila, Beadle e Tatum si concentrarono sulla muffa rossa del pane Neurospora crassa. Tra il 1937 e il 1945, i due pubblicarono una serie di articoli insieme.

Beadle e Tatum crearono dapprima dei mutanti di Neurospora irradiando Neurospora con raggi X. Successivamente fecero germinare le spore sessuali in tubi di un mezzo completo, o ambiente fisico, che conteneva aminoacidi, vitamine e altre sostanze organiche. Hanno poi trasferito la Neurospora in tubi di un mezzo minimo, che mancava di alcuni dei nutrienti di cui la Neurospora aveva bisogno per sopravvivere. Beadle e Tatum hanno riesaminato tutti i mutanti di Neurospora che non sono riusciti a crescere nel secondo mezzo minimo per determinare se erano stati indotti nuovi requisiti dei fattori di crescita. In quasi tutti i casi in cui un mutante non era in grado di sopravvivere nel mezzo minimo, Beadle e Tatum hanno rimediato alla mancata crescita aggiungendo una particolare sostanza chimica – una vitamina o un aminoacido specifico – al mezzo. I risultati suggerirono che queste sostanze chimiche, che erano prodotti di geni, erano necessarie per i geni per codificare un enzima richiesto in un percorso biochimico. Nel 1941 Beadle e Tatum pubblicarono i loro risultati in “Controllo genetico delle reazioni biochimiche in Neurospora”, in cui Beadle propose l’ipotesi un gene-un enzima.

Le informazioni ottenute dagli esperimenti su Neurospora confermavano ciò che Beadle aveva visto in Drosophila quando lavorava con Ephrussi. Confermava che un gene specificava l’azione di una singola via biochimica, o un passo in un insieme complessivo di reazioni, e questo avveniva attraverso la produzione di un enzima specifico. Beadle e Tatum ricevettero il premio Nobel per la fisiologia o la medicina nel 1958 per il loro lavoro sulla Neurospora e per aver dimostrato che i geni regolavano i processi chimici.

L’ipotesi fu modificata dopo vari studi, compreso quello di Vernon Ingram che lavorava al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, Massachusetts. Nel 1957, Ingram dimostrò che alcuni geni rappresentavano singole catene polipeptidiche di una proteina composta da più catene. Successivamente, l’idea fu soprannominata l’ipotesi un gene-un polipeptide, dopo che ulteriori indagini sui fenomeni portarono gli scienziati a concludere che i geni specificano effettivamente i prodotti proteici.