Prof. Neri Rolando

1. Le biotenologie Evoluzione ed Applicazioni LICEO STATALE «Antonio Meucci» Prof. Neri Rolando

2. EVOLUZIONE DELLE BIOTECNOLOGIE NELLA STORIA Biotecnologie classiche: panificazione, vinificazione, produzione di yogurt e birra etc. Biotecnologie moderne: sono incentrate in maniera preponderante sulle “PARTI DI UN ORGANISMO” es.: utilizzo di geni, loro derivati e di loro prodotti per fini utili all’uomo.

3. EVOLUZIONE DELLE BIOTECNOLOGIE NELLA STORIA 1750 a. C. i sumeri inventarono il processo di fermentazione della birra 1675 Leeuwenhoek scopre i batteri 1830 vengono scoperte le proteine 1833 viene isolato il primo enzima

4. EVOLUZIONE DELLE BIOTECNOLOGIE NELLA STORIA 1917 Ereky conia la parola biotecnologia: tutte le linee operative che vendono prodotti a partire dalle materie prime con l’ausilio di organismi viventi 1938 Inventato il termine di ingegneria genetica da Jost 1953 Watson e Crick scoprono la struttura del DNA 1954 prime tecniche di colture cellulari

5. EVOLUZIONE DELLE BIOTECNOLOGIE NELLA STORIA 1982 primo vaccino di origine animale con uso tecnologia del DNA ricombinante 1983 pubblicato il metodo della PCR reazione a catena della polimerasi

6. Le applicazioni Le biotecnologie, per l'ampiezza dei settori in cui possono avere ricadute, sono distinte, in base al loro campo di applicazione, in: White Biotechnologies, Green Biotechnologies, Red Biotechnologies.

7. Le cellule come fabbriche di farmaci I vettori di espressione Un vettore di espressione permette a un gene estraneo (transgene) di essere espresso in una cellula ospite. Un gene eucariotico trasformato può non essere espresso in E. coli perché manca delle sequenze necessarie al batterio per l’inizio e la terminazione della trascrizione e per il legame ai ribosomi. I vettori di espressione contengono queste sequenze addizionali, permettendo la sintesi di una proteina eucariotica da parte di una cellula procariotica

8. Le cellule come fabbriche di farmaci • Grazie alle biotecnologie si sintetizzano molti prodotti utili in campo medico, tra i quali vaccini, ormoni proteici e farmaci per trattare l’infarto e l’ictus. • Pharming, ovvero la produzione di farmaci proteici mediante animali transgenici. Ad esempio, lo sfruttamento di vacche transgeniche nel cui latte si accumulano specifici farmaci antitumorali. I farmaci biotecnologici usati in medicina

9. La medicina personalizzata Ogni individuo possiede la sua impronta genetica: frammentando il DNA e analizzandolo su gel di elettroforesi, ognuno di noi può essere identificato da una specifica combinazione di polimorfismi della lunghezza dei frammenti di DNA (RFLP). Infatti, il DNA frammentato ha caratteristiche diverse da persona a persona: esistono però delle somiglianze tra consanguinei, in particolare tra genitori e figli. I polimorfismi più usati sono due: I polimorfismi da singolo nucleotide (SNP) sono variazioni che riguardano un’unica base nucleotidica. Ad es.: se in un determinato punto del genoma un genitore è omozigote per la base A e l’altro genitore per la base G, la progenie sarà eterozigote. Le ripetizioni brevi in tandem (STR) sono tratti di DNA contenenti sequenze di 2-10 basi che si ripetono più volte, una di seguito all’altra, secondo uno schema preciso. V. FIGURA: Il numero di STR ereditate da ogni genitore può essere usato per ottenere l’impronta genetica di un individuo. Gli alleli (uno corrispondente al frammento più grande e l’altro a quello più piccolo) sono identificati in base alle dimensioni grazie all’elettroforesi su gel.

10. Si tratta di sottili supporti di materiale plastico o vetro su cui si trovano molte migliaia di pozzetti, ciascuno contenente pochi picogrammi di una diversa sonda di DNA a singola elica. I microarray a DNA I biochip (o microarray) vengono sfruttati per conoscere quali geni del genoma di una data persona siano attivi in un certo istante e in un certo gruppo di cellule (tessuto). I microarray si basano sulla possibilità di ibridazione tra il DNA presente in un dato pozzetto e uno dei frammenti di restrizione che si ricavano dall’organismo in esame. Se si cerca un dato gene, si parte dal genoma; se invece si vuole studiare il profilo di espressione, si isolano gli mRNA che vengono trasformati in cDNA grazie alla trascrittasi inversa. L’uso di molecole fluorescenti rende immediata l’individuazione dei pozzetti in cui sia avvenuta l’ibridazione, a indicazione del riconoscimento di una specifica sequenza.

11. Le biotecnologie in agricoltura • Le applicazioni più diffuse delle biotecnologie all’agricoltura riguardano: • la produzione di specie resistenti ai parassiti e alle infezioni virali, che possono essere coltivate riducendo drasticamente l’uso di insetticidi e di erbicidi. Il primo esempio in questo senso è stato l’uso di una tossina letale per gli insetti, prodotta dal batterio Bacillus thuringiensis. • La manipolazione per ottenere cereali con caratteristiche nutrizionali potenziate o in grado di produrre farmaci utili. • Il golden rice è un esempio di specie vegetale geneticamente modificata per arricchire di β-carotene (il precursore della vitamina A) i chicchi di riso, che normalmente non lo contengono. Questo cereale è attualmente al centro di un dibattito tra ricercatori, intellettuali e ambientalisti sull’opportunità del suo utilizzo per l’alimentazione umana.

12. Il Biorisanamento Esistono batteri che si nutrono di petrolio o di altre sostanze inquinanti. • I batteri hanno una straordinaria capacità di adattamento e versatilità metabolica. Mentre la maggior parte delle forme di vita non sopravvive in ambienti inquinati, essi hanno fatto di necessità virtù. Nell’enorme diversità batterica, infatti, esistono microrganismi capaci di usare come fonte di energia e di carbonio anche sostanze tossiche, in queste condizioni riescono persino a crescere e moltiplicarsi. • È il caso, per esempio, del batterio isolato nel 1996 nella laguna di Venezia. Il suo nome è Acinetobactervenetianuse vive senza problemi nelle acque inquinate dagli idrocarburi, come quelli miscelati nel petrolio, che riesce a metabolizzare. In natura batteri mangia-petroliosono presenti negli ambienti oceanici, e dominano le zone contaminate da idrocarburi. • La comunità scientifica è particolarmente interessata a studiarli, a capire come funzionano e grazie a quali sistemi riescono a utilizzare gli inquinanti come fonte di carbonio e di energia, degradandoli. • I processi di bioremediazione o biorisanamento degli ambienti marini inquinati sfruttano proprio questi microrganismi naturali come spazzini, tentando però di aumentare l’efficienza del processo. • Per esempio, si cerca di favorire la crescita dei batteri idrocarburoclastici residenti nelle zone contaminate fornendo loro nutrienti adeguati: composti contenenti azoto e fosforo di cui hanno bisogno per lavorare al meglio delle loro possibilità. Un’altra via per accelerare il processo naturale prevede, invece, di aumentare dall’esterno il numero dei batteri, introducendone di nuovi nell’ambiente. • La scienza, e in particolare le biotecnologie ambientali, però non si ferma qui: infatti, si sta cercando non solo di sfruttare le specie naturali, ma di crearne in laboratorio di nuove. • Già nel 1972, negli Stati Uniti, il primo organismo geneticamente modificato, per il quale è stata presentata una richiesta di brevetto, è stato proprio un batterio ingegnerizzato per la degradazione degli idrocarburi. Questo episodio ha causato un acceso dibattito sulla possibilità o meno di brevettare nuove forme di vita create in laboratorio.

13. Il Biorisanamento Esistono piante che estraggono metalli pesanti dal terreno Il fogliame di Alyssa bertolonii, una pianta dai fiori gialli che vive nelle fessure delle rocce, può contenere fino all'uno per cento di nickel: duecento volte il livello che ucciderebbe la maggior parte delle altre piante. Comprendere in che modo simili vegetali, chiamati iperaccumulatori, gestiscono il metallo potrebbe aiutare a sviluppare colture in grado di crescere su terreni contaminati, di fornire quello che manca nelle diete povere di metalli, di assorbire l'inquinamento industriale e persino di raccogliere il metallo dal suolo. Per raggiungere questi obiettivi, i ricercatori di tutto il mondo stanno cominciando a riconoscere l'esigenza di lavorare sulla stessa varietà di pianta - un organismo modello - per essere in grado di confrontare il proprio lavoro. Wendy Ann Peter e colleghi della Purdue University hanno preso in esame 20 diverse specie selvatiche di cavolo. Da queste, hanno selezionato la Thalaspi caerulescens (erba storna alpina), una scelta che è stata fatta indipendentemente anche da un gruppo di studiosi olandesi dell'Università di Waeningen. Si tratta di una pianta che cresce facilmente in laboratorio e iperaccumula nickel, zinco e cadmio. Inoltre, il suo genoma è per circa l'88 per cento identico a quello dell'Arabidopsis thaliana, il cui DNA è già stato sequenziato, il che renderebbe l'analisi genetica molto più semplice. Peer, W. A. et al.Identifying model metal hyperaccumulating plants: germplasm analysis of 20 Brassicaceae accessions from a wide geographical area.New Phytology, 159, 421 - 430, (2003). Assunçao, A. G. L. et al. A cosegregation analysis of zinc (Zn) accumulation and Zn tolerance in the Zn hyperaccumulator Thlaspi caerulescens.New Phytology, 159, 383 - 390, (2003). Assunçao, A. G. L., Schat, H. & Aarts, M. G. M. Thlaspi caerulescens, an attractive model species to study heavy metal hyperaccumulation in plants.New Phytology, 159, 351 - 360, (2003).

14. La bioinformatica La bioinformatica (informatica applicata alla biologia molecolare) ha permesso di passare dallo studio di singoli geni a quello dell’intero trascrittoma e proteoma. Grazie alla bioinformatica applicata alla genomica, è stato rivisto (in alcuni radicalmente) l’albero evolutivo delle specie viventi; la genomica comparata infatti ha consentito ai ricercatori di individuare parentele evolutive che sfuggivano ai comuni metodi di indagine. Anche lo studio dei problemi legati alla conservazione della biodiversità ha ricevuto un consistente supporto da queste tecniche. Soprattutto , la genomica ha consentito di avvicinarsi allo studio di come il genoma di una cellula che fa parte di un organismo pluricellulare possa modificare nel tempo la propria struttura di espressione, cosicché, sebbene il genoma resti lo stesso per ogni cellula, il trascrittoma e il proteoma (l’insieme delle proteine) possono cambiare in modo sostanziale. Queste conoscenze si stanno rivelando fondamentali per lo studio dello sviluppo degli organismi e dei meccanismi d’insorgenza di patalogie come i tumori.