biotecnologie_integrazione

Cosa sono le biotecnologie?
European Federation of Biotechnology: integrazione delle scienze naturali,
di organismi, cellule, loro parti o analoghi molecolari, nei processi industriali
per la produzione di beni e di servizi
Convenzione sulla Diversità Biologica UN: La biotecnologia è l'applicazione
tecnologica che si serve dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di
derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine
specifico.
Alcune applicazioni:
agricoltura;
industria alimentare e farmaceutica;
ambiente.
Un po’ di storia…
Nel’8000 a.C. in Mesopotamia, si utilizzavano tecniche empiriche per
migliorare la resa dei campi e la qualità degli animali allevati, ne sono la
prova la raccolta delle sementi e gli incroci per migliorare il bestiame.
Nel 4000 a.C. Egizi usavano i lieviti per
produrre il pane.
Risalgono al 3000 a.C. reperti
della produzione sumerica ed egiziana
di latte e vegetali fermentati.
La produzione del vino risale al 3000 a.C.
in Mesopotamia, ed era molto diffusa
anche tra greci e romani.
In Oriente dalla fermentazione si
otteneva la salsa di soia e
si utilizzavano i principi attivi
delle piante a scopo terapeutico.
l’evoluzione…
Nel 1680 Antoni Van Leeuwenhoek
vide per la prima volta i microrganismi,
grazie al microscopio.
Nel 1876 Pasteur riuscì ad identificare
nella presenza di microrganismi estranei
il fallimento della fermentazione della birra
e inventò la pastorizzazione.
Nel 1857 Mendel identifica le leggi
dell’ereditarietà.
Tra il 1940-’60 uso di mutagenesi,
colture cellulari e rigenerazione delle piante.
Nel 1953 Watson e Crick determinarono
la struttura a doppia elica del DNA.
A metà degli anni ’50 si diffonde l’uso
di microoraganismi come fonte di enzimi.
Negli anni ‘70 si diffonde la fusione dei
protoplasti nella selezione delle piante.
… Dna ricombinante..
Negli anni ’70-’80 Berg mette a punto la tecnologia del DNA ricombinante
che legò il genoma del virus SV40 delle scimmie ad un batteriofago.
Gli studi su plasmidi ed enzimi di restrizione portarono al primo clonagio
genico.
Il DNA ricombinante si ottiene:
 isolando il gene di interesse con
enzimi di restrizione.
 inserendo il gene in un vettore
(plasmidi, BAC,YAC, virus) tagliato
con gli stessi enzimi di restrizione.
I vettori ottenuti inseriti nei batteri
replicandosi permettono: l’amplicazione
del DNA ricombinante e la sua espressione
all’interno della cellula ospite.
…Pcr
Nel 1985 Mullis mette a punto la Pcr
(reazione a catena della polimerasi).
Le tre tappe della PCR:
 denaturazione per separare
le due eliche del DNA
• appaiamento dei primer con
le sequenze complementari sul DNA
templato
• estensione dei primer con i nucleotidi
complementari al templato ad opera di
una polimerasi termostabile.
Applicazioni
Produzione di sonde oligonucleotidiche
Clonaggio e manipolazione dei geni
Mutagenesi casuale o sito-specifica
Tipizzazione dei geni e del DNA:
• caratterizzazione di ricombinanti batterici
• diagnosi cliniche
• analisi di medicina legale
Oggi…
Ad oggi distinguiamo due tipi di biotecnologie:
Tradizionali: comprendono le metodiche fermentative per la produzione di
vino, birra, formaggio, yogurt, pane ed altri generi alimentari. E tecniche di
ibridazione tradizionale delle piante.
Madre acida di
lievito
Lievito selezionato
Innovative: sono tecnologie in cui vengono utilizzate tecniche di
manipolazione del materiale genetico (ingegneria genetica) con numerose
applicazioni in campo scientifico e industriale.
Le innovative possono essere applicate anche nei processi tradizionali dove è
possibile utilizzare ceppi di microrganismi geneticamente modificati.
Biotecnologie attuali …
L’ ingegneria genetica sta rimpiazzando i metodi tradizionali di miglioramento
delle specie vegetali.
Nel 2000, circa la metà delle coltivazioni di mais e di soia degli USA erano in
qualche modo geneticamente modificate.
USA :20 milioni di ettari di superficie coltivata a transgenico; circa il 70%
della superficie coltivata mondiale.
EUROPA:meno dell’1% della superficie mondiale coltivata a OGM, mentre la
coltivazione di piante selezionate con MAS è concentrata in Italia
OGM
L’OMG è un organismo che ha acquisito artificialmente uno o più geni da un
individuo donatore, se questo
appartiene ad una specie diversa
E.coli
Cellula umana
si definisce transgenico.
Plasmide
DNA
Gene V
Estremità coesive
 Isolamento gene di interesse
 Clonazione del gene in un
vettore
 Preparazione del costrutto
 Inserimento nel ricevente
 Selezione dei trasformati
Plasmide con
DNA ricombinante
Gene V
Batterio
ricombinante
Clone batterico in possesso di molte copie del gene umano
Inserimento in cellule vegetali
Per introdurre nuovi geni nelle cellule vegetali si possono utilizzare:
il plasmide ottenuto dal agrobacterium tumefaciens
l’elettroporazione
il metodo biolistico
Perché utilizzare ogm in
agricoltura?
 Aumento rese produttive, in un periodo in cui abbiamo:
• popolazione in aumento;
• scarsità nuove terre da coltivare;
• problemi ambientali.
 Miglioramento qualità dei prodotti:
• eliminazione allergeni;
• riduzione dei tempi di produzione.
 Riduzione impatto ambientale delle tecniche agricole:
• inserimento resistenze genetiche contro i parassiti;
• modificazione architettura pianta.
Agricoltura
Nel 1994 è stato messoin commercio il prodotto OGM:
un pomodoro che ritardava la maturazione
Mais Bt
Il mais-BT è stato reso resistente alla piralide mediante l’inserimento di un
gene che codifica per una tossina insetticida
derivata dal batterio Bacillus turingiensis la
cui ingestione provoca la morte delle larve
paralizzandone l’intestino.
Soia Roundup Ready
La soia Roundup Ready (Monsanto)
è stata modoficata geneticamente per
resistere alla somministrazione del
glifosato, un diserbante ad ampio spettro.
Alcune tecniche di
miglioramento genetico
 Selezione assistita da marcatori (MAS):
permette con l’uso di marcatori molecolari,
di effettuare incroci mirati per stabilizzare
i caratteri d’interesse nel genoma della nuova varietà. Questa
tecnica si avvale delle informazioni ottenute dalla caratterizzazione
del germoplasma.
 Mutazioni indotte ( il TILLING):prevede l’impiego di agenti
mutageni chimici o fisici, senza specificità mutazionale, per produrre
nuove varietà nelle quali sono ridotte le funzionalità dei geni
indesiderati e accentuate quelle dei geni favorevoli.
 L’ibridazione somatica:attraverso tecniche di microiniezione e fusione
cellulare permette di importare geni o interi cromosomi tra due specie non
interfeconde o addirittura non correlate.
 Micropropagazione: è una tecnica che permette
la clonazione delle piante al fine di ottenere un ampio
numero di individui privi di infezioni batteriche o virali.
Esempi di prodotti del
miglioramento genetico
Da tempo sono presenti in India gli ibridi di miglio
perlato e di riso, resistenti alla peronospera
ottenuti con i MAS. Mentre ad oggi vi sono diatribe
circa la brevettabilità del broccolo con "qualità
protettive contro il cancro" e il pomodoro con "minor contenuto di acqua",
prodotti anche questi con MAS.
Attraverso la mutagenesi indotta sono state ottenute da
diverse linee di mutanti dalla varietà 'Zhefu Liangyou12‘ , come il riso
mutante RS111, che fornisce una migliore
fonte di amido per le persone colpite
da diabete e obesità;
il riso con alto contenuto di zinco;
il riso ad alto contenuto di flavonoidi, che
protegge da patologie coronariche;
riso ad alto contenuto in luteina utile per la
salute della vista, della pelle, e dell’apparato
cardiovascolare
Nell’industria alimentare
Nel ‘94 è stata utilizzata la prima chimiosina ottenuta dall’ E.coli
modificato per produrre formaggio...oggi…si moltiplicano gli studi
sul metabolismo microbico da sfruttare per la produzione di:




additivi,ottenuti da m.o., in alternativa ai prodotti di sintesi
enzimi (proteasi, amilasi, pectinasi, ipasi, ecc.) prodotti da MGM
aromi, sfruttando enzimi microbici o cellule microbiche intere;
addensanti, stabilizzanti e dolcificanti, ottenuti in laboratorio a partire da
batteri e lieviti ingegnerizzati.
Perché enzimi ottenuti da Ogm?
 Incremento dell’attività: un enzima può essere modificato in modo
tale da farlo funzionare meglio in termini di velocità di catalisi o di
resa in conversione
 Purezza: gli enzimi si ottengono allo stato puro più facilmente da
un microorganismo piuttosto che dall’ospite originario. La
chimosina, per esempio, si ottiene pura al 98% ,mentre isolata
dallo stomaco dei vitelli al 75%.
 Tutela del consumatore: nel settore alimentare ad esempio, un
microrganismo alternativo può essere più adatto.
 Costi contenuti: L’uso di questi enzimi diminuisce il tempo di
produzione e determina un abbassamento della quantità di materia
prima.
Esempi di prodotti ottenuti da
Ogm nella panificazione
Utilizzo di farine ottenute da Mais Bt
per la produzione di pane
L’alfa amilasi prodotta da colture fungine di
Aspergillus oryzae o batteriche di Bacillus subtilis
migliorano la FN*, valori di FN inferiori 200 il pane risulta umido e
appiccicoso. Possono essere prodotti altri anzimi che rallentano la
retrogradazione dell’amido (anti-staling alpha mylase), aumentando la
shelf-life dei prodotti.
La British Columbia ha messo a punto un ceppo di lievito malolattico
geneticamente modificato, conosciuto con il nome di ML01, che viene
utilizzato in Canada.
Le modificazioni apportate permettono di modulare
la fermentazione malolattica e prevenire
la produzione di amine biogene.
* Falling number, misura dell’attività alfa amilasica
Nell’industria farmaceutica
Nel 1982 venne prodotta la prima
insulina dall’E.coli modificato
geneticamente… nel 1986 venne
approvato il primo vaccino
ricombinante per l’epatite B…
oggi…
Vengono prodotti :
farmaci e vaccini ricombinati.
Le biotecnologie vengono
Utilizzate anche per:
Terapia genica
Anticorpi monoclonali
Ricerca
Farmaci e vaccini
 Farmaci ricombinanti: antibiotici;ormoni polipeptidici
(ormone della crescita etc);proteine del sangue
come i fattori coinvolti nella coagulazione del
sangue;immunomodulatori e anti tumorali
come l’interferone (alfa, beta e gamma),
interleuchine (IL-2) etc.
 Vaccini :
 ricombinanti: contenenti subunità di batteri e virus: epatite B;
meningite batterica, antipertosse
 ricombinanti vivi:contenenti batterio virus resi
inattivi: epatite B, H.Simplex, virus influenza
Perchè farmaci e vaccini
ricombinanti?
 sono più economici
 permettono di diagnosticare o curare malattie il cui
gene sia conosciuto
 abbassamento dei costi di riproduzione di farmaci e
vaccini con relativo aumento della produzione
Nutraceutici
Sono prodotti esteriormente uguali a quelli convenzionali ma che
hanno caratteristiche nutrizionali diverse (più vitamine, meno grassi,
senza glutine, ecc.).
Alcuni esempi:
• riso arricchito di vitamina A e/o di ferro;
• patata maggiorata con più proteine o per produrre vaccini contro il colera;
• mais a cui sono state eliminate alcune sostanze che possono favorire
fenomeni di allergia tra i consumatori;
• colza arricchita di Omega 3, ;
• pomodoro arricchito di vitamina A, con più licopene o in grado di
sintetizzare un vaccino contro l’epatite B o,
• banana per combattere l’epatite B;
• lattuga per vaccinare contro il colera, ecc.
Prodotti nutraceutici
Il Golden Rice
Questo riso OGM è stato presentato
per la prima volta nel 2000.
E’ una varietà di riso geneticamente modificata
per aumentare il contenuto di B- carotene,
un precursore della vitamina A.
Il gene è stato prelevato dal mais.Si stima che 70 grammi di riso dovrebbero
essere sufficienti per fornire la metà del fabbisogno giornaliero della
vitamina, questa è essenziale per la vista. L’OMS stima che tra i 250 e 500
mila bambini diventino ciechi, e abbiano una mortalità annua pari alla metà
di loro.
Febbraio 2010, University of Central Florida
Lattuga contenente un vaccino contro colera e malaria.
Vaccino ricavato da piante di tabacco e lattuga.
Sarebbe in grado di dare una immunità all’uomo
per circa 50 anni.
1 milione di morti annuali per malaria.
alti costi dei farmaci contro il colera.
Ambiente
Le cosidette “biotecnologie bianche”, offrono un
potenziale immenso per lo sviluppo ecosostenibile
della società.
 Hanno permesso la produzione di Bioplastica:
plastica biodegradabile.
 Vengono già usate e saranno sempre più utilizzate
per la depurazione di ambienti contaminati.
 Portano alla diminuzione di prodotti di scarto tossici.
 Si possono utilizzare per la produzione di
biocarburanti come il bioetanolo.
Bioplastica,
cotone,fitodepurazione
 Nella lavorazione del cotone per uso tessile l’utilizzazione
di enzimi in sostituzione di tecniche chimiche, iniziata fin dal
1917 ma poi via via migliorata, ha ridotto del 60% l’emissione
di rifiuti nell’acqua, del 25 % il consumo di energia e del 20 % i costi.
 La produzione di Bioplastica da amido di mais permette una riduzione del
25-50% nell’utilizzazione di materiali fossili, produce
emissioni di biossido di carbonio nettamente inferiori
a quelle necessarie per la produzione di plastica con
metodi tradizionali, diminuisce sensibilmente la
produzione di materiali tossici di scarico.
 Biorisanamento mediante piante (fitodepurazione)
che rimuovono residui di metalli pesanti,
o attraverso microoraganismi
simbionti delle piante quali i rizobi.
Enzimi immobilizzati
Futuro…
 L’immobilizzazione può essere:
 fisica:legame dell’enzima a resine a scambio ionico, polimeri insolubili,gel
di silice.
 chimica:procedure simili a quelle usate per la cromatografia per affinità,
quindi con la presenza di specifici ligandi.
• Applicazioni analitiche ed industriali:
L’immobilizzazione di enzimi consente una loro riutilizzazione ed una facile
separazione dai reagenti e dai prodotti di reazione. Essa consente inoltre
una compartimentalizzazione e quindi la realizzazione di tappe di sintesi
consecutive.
 Costruzione di BIOREATTORI per sintesi organiche.
 Costruzione di BIOSENSORI per l’analisi chimica di soluzioni dei fluidi
biologici.
…applicazioni…
I biosensori:sono degli strumenti analitici costituiti da un biocatalizzatore
(enzima immobilizzato) e da un trasduttore che può trasformare un segnale
chimico in un segnale elettrico quantificabile. Esistono molti tipi di biosensori
in grado di analizzare varie sostanza chimiche.
Il dibattito sulle biotecnologie
Aspetti Positivi delle Biotecnologie
 l’assenza di residui tossici sulle derrate alimentari con
la diminuzione dell’utilizzo di antiparassitari e fertilizzanti;
 un miglioramento del livello nutrizionale degli alimenti;
 produzione di farmaci e vaccini più efficaci;
 molteplici utilizzi in campo medico: terapia genica, anticorpi monoclonali,
etc;
 minore impatto ambientale, produzione di biocarburanti e fitodepurazione;
 un aumento della produzione, con la riduzione delle superfici attualmente
coltivate, che potrebbero essere destinate alla creazione di parchi o aree
protette.
 utilizzo di enzimi nelle produzioni industriali di vari settori, e nella
produzione di biosensori nel monitoraggio ambientale, alimentare, medico,
etc.
Il dibattito sulle biotecnologie
Aspetti negativi degli ogm in agricoltura
•Le ricerche sull’impatto degli ogm sono scarse e portate
avanti dalle stesse multinazionali che li commercializzano;
• è possibile l’inquinamento genetico delle specie presenti;
• i parassiti non nutrendosi potrebbero scomparire dalla catena alimentare;
oppure potrebbero diventare resistenti alle tossine per la resistenza agli
insetti ;
• è probabile una riduzione della biodiversità,perché verrebbero usate solo
piante ogm;
• è possibile la comparsa di nuove allergie per lo scambio di materiale
genetico tra varie specie;
• i batteri patogeni potrebbero acquisire resistenza agli antibiotici;
• l’Impatto socio-economico può portare all’ indebitamento dei paesi poveri
per l’acquisto di prodotti ogm ed eccedenza di produzione.
Dibattito sulle biotecnologie
Gran parte del dibattito sulle biotecnologie è concentrato sull’utilizzo di ogm
in agricoltura.
Gli OGM possono rappresentare una grande opportunità per l’umanità, o
possono rappresentare, specie se usati in modo incauto e non approfondito,
un rischio per l’ambiente o la salute?
Una contrapposizione acritica e strumentale tra chi vede gli ogm come un
nemico da esorcizzare e chi unicamente come uno strumento di profitto
rischia di non permettere il raggiungimento di alcun obbiettivo.Quindi l’unico
strumento utile affinchè le loro potenzialità vengano adeguatamente
espresse e i loro rischi siano ridotti al di sotto della soglia di accettabilità, è
da ricercarsi nella ricerca di base (potenziando le strutture pubbliche a ciò
preposte) e nella valutazione scientifica dei dati, di natura sia sperimentale
che operativa, che si rendono via via disponibili.