Un oligonucleotide è una corta catena di molecole di DNA o RNA che ha molti usi nella biologia molecolare e nella medicina. Viene utilizzato come sonda per lo screening di malattie, infezioni virali e per identificare i geni negli esperimenti di biologia molecolare. È anche usato come primer in un tipo di sequenziamento del DNA.
Per capire un oligonucleotide, aiuta a capire la struttura del DNA. Le molecole di DNA sono bobine molto lunghe di due filamenti, costituiti da quattro diverse unità di base nucleotidiche, disposte in ordini variabili. Ogni unità ha una base complementare che legherà, quindi ogni filo ha un insieme opposto di basi che lo legano. Queste basi possono formare una grande varietà di combinazioni diverse, ed è la combinazione di basi che dà il codice genetico. Il DNA viene trascritto per produrre RNA messaggero (mRNA), che viene poi tradotto per produrre proteine.
Gli oligonucleotidi sono identificati dalla loro lunghezza della catena. Ad esempio, un oligonucleotide lungo dieci basi nucleotidiche sarebbe chiamato dieci mer. Sono generalmente sintetizzati chimicamente e il tipo di sintesi limita la lunghezza della catena a meno di 60 basi.
In un tipo di sequenziamento del DNA noto come sequenziamento dideossi, gli oligonucleotidi vengono utilizzati come primer, in modo che l’enzima che produce il DNA abbia uno stampo da cui lavorare. Viene utilizzato DNA a filamento singolo e un oligonucleotide complementare al filamento di DNA viene sintetizzato utilizzando una macchina automatizzata. La DNA polimerasi che sintetizza il DNA continua ad aggiungersi al primer e sintetizza da esso il filamento opposto di DNA. Questa reazione produce DNA a doppio filamento.
Un uso più recente degli oligonucleotidi come primer è nella reazione a catena della polimerasi (PCR) che viene utilizzata per amplificare piccoli frammenti di DNA. Questa tecnica ha usi altamente pratici, come nella medicina legale e nei test di paternità. Ha anche rivoluzionato la ricerca in medicina e nelle scienze biologiche, poiché è spesso utilizzato negli esperimenti di ingegneria genetica.
Una serie di sonde oligonucleotidiche viene spesso utilizzata per isolare geni da una libreria di geni o DNA complementari (cDNA). Le librerie di cDNA sono costituite da DNA a doppio filamento, in cui un filamento è derivato da un filamento di mRNA e l’altro è complementare ad esso. Tali librerie hanno il vantaggio di non avere le lacune che si trovano frequentemente nei geni di organismi superiori.
La struttura dei geni di molti organismi è nota, grazie a progetti di sequenziamento, ed è pubblicamente disponibile. Se si vuole clonare un gene da un altro organismo, si può vedere cosa si sa del gene in altri organismi e progettare sonde basate su aree comuni in quelle sequenze. I ricercatori hanno quindi sintetizzato una serie di sonde oligonucleotidiche che tengono conto delle possibili variazioni nell’area comune. Esaminano la libreria con quelle sonde e cercano gli oligonucleotidi che si legano. Molti geni sono stati identificati in questo modo.
Un oligonucleotide antisenso contiene un singolo filamento di RNA o DNA che è il complemento di una sequenza di interesse. Una volta che un particolare gene che codifica per una proteina è stato clonato, l’RNA antisenso viene spesso utilizzato per bloccarne l’espressione legandosi all’mRNA che lo sintetizza. Ciò consente ai ricercatori di determinare gli effetti sull’organismo, quando non produce quella proteina. Si stanno sviluppando anche oligonucleotidi antisenso come nuovi tipi di farmaci per bloccare gli RNA tossici.
I chip di microarray sono stati un’altra area in cui gli oligonucleotidi sono stati di grande utilità. Questi sono vetrini, o qualche altra matrice, che hanno macchie contenenti migliaia di diverse sonde di DNA, in questo caso fatte di oligonucleotidi. Sono un modo molto efficiente per testare i cambiamenti in un numero di geni diversi contemporaneamente. Il DNA è legato a un composto che cambia colore, o diventa fluorescente, se il DNA complementare si lega ad esso, quindi le macchie cambiano colore se c’è una reazione con il DNA del test.
Alcune delle cose per cui vengono utilizzati i microarray di oligonucleotidi includono lo screening per le malattie genetiche. Ad esempio, esistono piccole sonde che rappresentano l’attività di geni coinvolti nel cancro al seno, BRCA1 e BRCA2. È possibile scoprire se una donna ha una mutazione in uno di questi geni e analizzarla ulteriormente per vedere se ha una predisposizione al cancro al seno.
Esiste un microarray chiamato ViroChip che ha sonde per circa 20,000 geni di vari virus patogeni che sono stati sequenziati. Le secrezioni corporee, come il catarro, possono essere analizzate con il chip, che spesso può identificare il tipo di virus con cui una persona è infetta. Identificare le infezioni virali può essere piuttosto difficile, poiché i sintomi sono spesso simili con diversi tipi di virus.