Le biotecnologie - Italo Bovolenta Editore

DIDATTICA ATTIVA - Approfondimento
Le biotecnologie
Negli ultimi anni la biotecnologia si è imposta all’attenzione dell’opinione pubblica. Sono nate industrie, sono stati
istituiti corsi di laurea e si è assistito a un rapido sviluppo
di tecniche e protocolli sperimentali, che utilizzano organismi viventi o loro componenti in processi produttivi. Tutto
questo improvviso interesse ha fatto nascere l’idea che la
biotecnologia sia un prodotto recente dell’ingegno umano.
Niente di più sbagliato. Senza esserne consapevole, l’uomo
si è comportato da biotecnologo da almeno diecimila anni.
Gli organismi geneticamente modificati sono molto utilizzati nel campo agroalimentare, in particolare nel miglioramento genetico delle piante coltivate. Le tecniche di ingegneria genetica sono infatti più facili da applicare nel caso
delle piante rispetto agli animali. Oggi le piante transgeniche sono prodotte, commercializzate e consumate in gran
parte del mondo, specialmente negli Stati Uniti. Le principali coltivazioni OGM riguardano piante di mais, di soia e
di cotone. Le modificazioni genetiche introdotte artificialmente servono a rendere le piante più resistenti ai parassiti
e agli erbicidi oppure a migliorare la capacità di sopravvivenza in condizioni avverse o ad aumentare il loro potere
nutrizionale.
Un altro settore molto importante di impiego degli organismi transgenici è quello delle biotecnologie farmaceutiche. Grazie all’ingegneria genetica possono essere prodotti
a basso costo farmaci difficilmente ricavabili con metodi
tradizionali. Nel 1981 è stato commercializzato il primo farmaco ottenuto da organismi transgenici: l’insulina. Per le
persone affette da diabete l’insulina, che è un ormone proteico, è un farmaco vitale. Con l’ingegneria genetica è stato
geneticamente modificato un comune batterio presente nel
nostro intestino, l’Escherichia coli, in cui sono stati introdotti i geni responsabili della costruzione dell’insulina. Si sono
potute produrre così quantità ingenti dell’ormone, che risulta perfettamente identico a quello prodotto nel pancreas umano. Nel passato l’insulina veniva estratta attraverso
lunghi, laboriosi e costosi processi dai tessuti di animali da
allevamento, come i suini.
Col termine biotecnologia si intende il complesso delle applicazioni che coinvolgono organismi, sistemi o processi biologici nella produzione di beni e servizi in campo agroalimentare e in vari settori industriali.
Nella storia delle civiltà umane le prime applicazioni delle biotecnologie hanno riguardato il campo alimentare. La
birra, il vino e il formaggio si ottengono attraverso processi fermentativi che avvengono ad opera di microrganismi,
come lieviti e batteri. Nelle pratiche agricole del passato i
coltivatori si limitavano a scegliere per la semina gli esemplari più produttivi. Analogamente, gli allevatori facevano
incrociare tra loro gli individui che possedevano le caratteristiche migliori. In Mesopotamia già intorno all’8000 a.C.
si eseguivano incroci mirati di animali domestici.
Con le moderne biotecnologie, oggi è diventato possibile
intervenire sugli organismi al fine di modificarne direttamente le caratteristiche genetiche. Si può ottenere così una
discendenza di organismi tutti con nuovi caratteri favorevoli, cioè un clone di organismi geneticamente identici. Questo traguardo è stato raggiunto applicando le più recenti
conoscenze di biologia molecolare e facendo ricorso all’ingegneria genetica.
L’ingegneria genetica riguarda le tecniche che, sulla base
di progetti mirati al raggiungimento di precise finalità, permettono di modificare il DNA in modo da ottenere un DNA
ricombinante, cioè una molecola ottenuta dalla congiunzione di molecole di DNA provenienti da organismi diversi.
Gli organismi le cui caratteristiche genetiche sono determinate da molecole di DNA ricombinante sono detti organismi transgenici (figura 1). Questi organismi, nel cui genoma sono stati inseriti geni prelevati da altre specie, sono
anche conosciuti come OGM, che sta per organismi geneticamente modificati.
figura 1 In una cellula uovo di topo viene introdotto materiale genetico
rielaborato con tecniche di ingegneria genetica. Le cellule uovo che hanno tratti di DNA ricombinante si sviluppano in organismi transgenici, che
possono presentare nuove caratteristiche genetiche.
Gli organismi geneticamente modificati sono organismi
in cui è stata introdotta una modificazione genetica tramite
tecniche di ingegneria genetica.
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Mario Rippa - La
chimica di Rippa - secondo biennio - Italo Bovolenta editore - 2012
DIDATTICA ATTIVA - Materiali integrativi
La tecnologia che porta alla elaborazione del DNA ricombinante può essere accostata a una serie di operazioni
di «taglia e incolla» (figura 2). Le principali fasi della produzione di un DNA ricombinante, per esempio quello che
contiene un gene per la proteina X, sono:
dal batterio. Una volta tagliato il plasmide con gli stessi
enzimi di restrizione usati per estrarre il gene, si sfrutta
l’azione di specifici enzimi, i DNA ligasi, che svolgono il
ruolo di «colla». Grazie all’azione dei DNA ligasi, il gene
viene inserito nel plasmide e si ottiene la molecola di
DNA ricombinante;
• inserimento del plasmide, il vettore costituito da DNA
ricombinante, nel cromosoma della cellula batterica. La
cellula, raggiunte certe dimensioni, duplica il proprio
cromosoma, contenente anche il gene inserito, e poi si
divide per formare due cellule identiche. Le successive
ripetute e innumerevoli duplicazioni e divisioni generano un clone di cellule tutte uguali, con lo stesso DNA
ricombinante; quando i geni introdotti iniziano a esprimere le loro informazioni genetiche, tutte le numerosissime cellule transgeniche producono la proteina X.
• isolamento ed estrazione del gene che produce la proteina X, utilizzando particolari enzimi detti enzimi di
restrizione. Gli enzimi di restrizione sono «forbici biologiche»: tagliano il DNA in corrispondenza di particolari
sequenze di basi azotate e possono separare così i frammenti con il gene di interesse;
• inserimento del gene di interesse in una molecola che
serve da vettore. Nei batteri i principali vettori per trasportare frammenti di DNA sono i plasmidi, particolari
e piccole molecole di DNA, usate solo in casi eccezionali
Siti di restrizione
Vettore
plasmidico
Molecola di DNA contenente
il frammento da clonare
Cromosoma
batterico
Azione dell’enzima
di restrizione
Le cellule di Escherichia coli
che non hanno incorporato
il plasmide non sopravvivono
Le cellule di Escherichia coli
trasformate sopravvivono
Replicazione
autonoma
dei plasmidi
Azione dell’enzima
DNA ligasi
Plasmide
ricombinante
I plasmidi ricombinanti sono aggiunti
a una coltura di Escherichia coli.
Una percentuale molto piccola di batteri
effettua la trasformazione e incorpora
il plasmide ricombinante. In seguito è
aggiunto alla coltura un antibiotico.
Replicazione
delle cellule
figura 2 Un frammento di DNA da clonare è inserito in un plasmide mediante un enzima di restrizione scelto in modo che i siti di restrizione siano presenti tanto nel plasmide quanto nel frammento di DNA. L’azione della DNA ligasi consente poi di ottenere una molecola ricombinante. Alcune
cellule batteriche possono portare al proprio interno i plasmidi transgenici
posti nel terreno di coltura. Per selezionare le poche cellule trasformate,
i plasmidi ricombinanti contengono un gene che fornisce resistenza a un
particolare antibiotico. Quando l’antibiotico è aggiunto al terreno di coltura, solo le cellule trasformate sopravvivono e danno origine a un clone di
cellule contenente il DNA ricombinante.
Colonie di cellule ognuna
contenente copie dello stesso
plasmide ricombinante
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Mario Rippa - La
chimica di Rippa - secondo biennio - Italo Bovolenta editore - 2012