Il crollo dell’«ultimo bastione del lamarckismo», come Luria definì alla fine degli anni Quaranta la teoria, da lui confutata, per cui l’adattamento dei batteri alle sfide ambientali sarebbe indotta direttamente dagli stimoli esterni, fu una delle conseguenze dell’elegante esperimento da lui concepito e realizzato nel 1943, i cui risultati furono elaborati matematicamente da Max Delbrück.

Nella sua autobiografia, intitolata A Slot Machine, A Broken Test Tube (Luria 1984-1), il ricercatore torinese racconta come il principio su cui si basa il test gli venne in mente una sera del febbraio 1943 a un ballo di facoltà, mentre osservava un collega che giocava con una slot machine. Luria si trovava presso l’Indiana University da un mese, nella posizione di instructor. In precedenza, dopo l’incontro con Max Delbrück alla fine del dicembre 1940, in occasione del convegno a Philadelphia dell’American Physical Society, Luria aveva condotto insieme al fisico tedesco nell’estate del 1941, a Cold Spring Harbor, una serie di esperimenti di infezione dei batteri con i virus batteriofagi, che portarono alla scoperta del principio di mutua esclusione, per cui quando un fago infetta una cellula batterica la riprogramma, rendendola immune dall’infezione con un fago diverso. Gli esperimenti di Delbrück e Luria avevano la peculiarità di indirizzarsi allo studio del ciclo vitale dei virus, piuttosto che concentrare l’attenzione, come facevano normalmente i microbiologi, sul danno che il fago provoca alla cellula. Ma gli esperimenti di infezione, soprattutto, utilizzavano due tipi diversi di fagi, alfa e gamma, e per discriminare i fagi in una miscela avevano bisogno di due ceppi diversi di batteri, ciascuno sensibile a un solo tipo di fago. In pratica essi “producevano” dei batteri resistenti a un dato fago. Per Luria era naturale domandarsi, come da vent’anni facevano tutti i microbiologi, come avessero origine i batteri resistenti al fago, se fossero cioè il prodotto dell’azione diretta del fago su poche cellule oppure dovute a mutazione e selezione.

Il problema portava implicitamente anche a chiedersi se i batteri possedessero i geni. Il più autorevole sostenitore della spiegazione fisiologia dell’origine della resistenza, il grande chimico-fisico Cyril Hinselwood, negava l’esistenza di geni nei batteri e spiegava i cambiamenti adattativi ereditari in termini di modificazioni di equilibri chimici. L’alternativa alla teoria di Hinselwood, come Luria aveva ben chiaro, era che i batteri fossero dotati di un gene per la sensibilità al fago alfa e uno per la sensibilità al fago gamma, e che una mutazione in uno dei due geni producesse una resistenza specifica.

Il modello sperimentale per stabilire se i batteri resistenti fossero o meno già presenti nella coltura prima che questa venisse a contatto con il fago, ovvero per stabilire se esistono mutazioni genetiche nei batteri, venne concepito da Luria a partire dal funzionamento delle slot machines. Egli stabilì un paragone tra il numero di batteri resistenti in ciascuna coltura, prendendone in esame una ventina, e la prevedibilità delle vincite in diversi tipi di slot machines. Di fatto, il modo di funzionare della slot machine è programmato per avere una variazione nella restituzione del denaro molto superiore a quella casuale, il che doveva verificarsi nel caso in cui i batteri resistenti originassero per mutazioni spontanee piuttosto che per induzione da parte del fago. Ovvero, esaminando la distribuzione delle colonie resistenti in un numero elevato di colture da un miliardo di batteri ciascuna, questa sarebbe risultata caratteristica degli eventi indipendenti, rari nel caso in cui la resistenza fosse indotta dal contatto con il fago. Mentre se la resistenza fosse stata dovuta a mutazioni spontanee, a livello di un gene, si sarebbero dovute trovare concentrazioni di colonie resistenti e, in alcuni casi, solo poche o una sola colonia resistente, a seconda delle generazioni che avevano preceduto l’esperimento.

Luria effettuò l’esperimento e trovò conferma all’ipotesi su cui stava scommettendo, cioè che la resistenza emerge come risultato della selezione di batteri mutanti preesistenti. Inviò la sua idea e i dati a Delbrück, che li mise in forma matematica, definendo la metodologia statistica del test di fluttuazione. I biochimici, comunque, non furono immediatamente convinti dai risultati ottenuti da Luria e Delbrück. Il discorso si chiuse definitivamente quando, nel 1952, Joshua e Ester Lederberg misero a punto un brillante esperimento di “selezione indiretta” basato sulla tecnica denominata replica plating, che consentiva di isolare mutanti resistenti al fago senza esporre la cellula al fago stesso e quindi di dimostrare l’esistenza di mutanti preadattati.

Nel 1945 Luria dimostrava che anche i fagi andavano incontro a mutazioni spontanee, che li mettevano in grado di svilupparsi in batteri resistenti. L’anno successivo Joshua Lederberg ed Edward L. Tatum annunciavano, con una lettera a “Nature”, la scoperta di uno scambio di materiale genetico tra i batteri, ovvero un fenomeno di «sessualità batterica» che produce dei ricombinanti genetici. La vera natura della sessualità batterica, ovvero il meccanismo che porta alla ricombinazione genetica, sarebbe stata chiarita nel 1955 dagli studi condotti all’Institut Pasteur di Parigi da François Jacob ed Elie Wollman.

A partire dal 1946 gli sviluppi della genetica batterica e, in modo concomitante, della genetica del fago furono sensazionali e produssero una serie inesauribile di protocolli sperimentali con cui, attraverso la selezione operata con terreni o mediante l’infezione con fagi e lo studio delle ricombinazioni nei batteri e nei fagi, fu possibile conquistare fondamentali traguardi conoscitivi e applicativi a livello di conoscenze molecolari sui meccanismi genetici. Per esempio, sul piano concettuale lo studio della ricombinazione avrebbe consentito a Seymour Benzer di portare l’analisi del gene a livello molecolare, mentre la decifrazione del codice genetico fu possibile grazie a protocolli sviluppati attraverso l’analisi genetica dei batteri. Infine, gli strumenti più importanti dell’ingegneria genetica troveranno origine nella genetica batterica.

Luria fu protagonista anche di questa fase. La seconda parte del titolo del suo libro, A Broken Test Tube (Luria 1984-1), riferisce un incidente di laboratorio che del tutto casualmente lo portò a scoprire il fenomeno della restrizione e modificazione, ovvero che alcuni batteri mutanti trasformano i fagi in modo tale da non poter più crescere se non in batteri del tutto diversi. La scoperta avrebbe successivamente portato a identificare degli enzimi che operano la restrizione, che sarebbero diventati gli attrezzi biochimici grazie ai quali è nata l’ingegneria genetica.

Delbrück e Luria furono gli iniziatori del famoso Gruppo del Fago, che praticamente prese vita quando trascorsero insieme l’estate del 1942 a Cold Spring Harbor. Nel 1943 si affiliò al Gruppo Alfred Harshey, che lavorava alla Washington University di St. Louis. Nel 1952 Harshey, insieme a Martha Chase, confermava attraverso un efficace esperimento la scoperta realizzata da Oswald Avery nel 1944 che l’acido deossiribonucleico è il materiale genetico. Nella fattispecie, che è responsabile della moltiplicazione del batteriofago T2.

Nel 1944 Delbrück redigeva il “trattato del fago”, in cui si stabilivano gli standard metodologici degli esperimenti con i fagi, in modo da rendere comparabili i risultati. Dal 1945 iniziarono a Cold Spring Harbor i corsi estivi del Gruppo del Fago, essenzialmente di biologia quantitativa e di genetica, che formarono la generazione dei fondatori della biologia molecolare. Agli esperimenti e ai corsi parteciparono ovviamente gli allievi di Luria, James Watson, Renato Dulbecco, oltre a personalità scientifiche di spicco come Leo Szilard, Phillip Morrison, Seymour Benzer, Gunther Stent.

Un intenso dibattito storiografico ha affrontato la questione riguardante il ruolo svolto dal Gruppo del Fago nella creazione di un nuovo approccio allo studio del vivente, la biologia molecolare, nonché lo statuto epistemologico della biologia molecolare e i rapporti tra biologia molecolare e biochimica. Intervenendo nel dibattito, Luria ha sottolineato che la biologia molecolare costituisce una novità rispetto alla biochimica, ma anche rispetto alla genetica, per il fatto che si tratta di un «programma di ricerca inteso a interpretare le attività degli organismi e delle loro cellule tenendo presenti la struttura e l’attività di quelle classi di molecole – soprattutto proteine e acidi nucleici – che sono i costituenti specifici, la base della loro individualità. L’informazione sulla struttura e l’attività di queste molecole è risultata da una combinazione di approcci di natura fisica, chimica e biologica, che hanno affrontato il problema dal punto di vista delle singole molecole, delle cellule isolate, e dell’organismo globale» (Luria 1984-2, pp. 96-97).

Letteratura citata

Luria 1984-1: S.E. Luria, A Slot Machine, a Broken Test Tube. An Autobiography, New York 1984.

Luria 1984-2: S.E. Luria, Storia di geni e di me, Torino 1984 (trad. it. di A Slot Machine).