“SperimentailBioLab” Iden4ficazionedegliOGM UniversitàdegliStudidiMilano Se3oreDida5co,viaCeloria20,Milano Laboratorio105 Indice 1.Conoscenzepropedeu4che • 1.1CosaèilDNA • 1.2Lastru3uradelDNA • 1.3DalDNAalcromosoma • 1.4GenoHpoefenoHpo • 1.5ReplicazionedelDNA • 1.6Ve3oridiclonaggio • 1.7Trasformazione 2.IntroduzioneagliOGM • 2.1ComesifannogliOGM • 2.2PerchésifannogliOGM? • 2.3Fasidell’analisidiunOGM 3.Primadiandareinlaboratorio .3.1Preparazionedelcampione p.3 p.3 p.4 p.4 p.5 p.5 p.5 p.6 p.9 p.6 p.6 p.7 p.8 4.Tecnicheu4lizzate nell’aHvitàdilaboratorio p.11 p.22 p.30 !2 p.9 5.Iden4ficazionediunOGM p.14 • 5.1Resistenzaagliinse5 p.14 • 5.2Tolleranzaaglierbicidi p.15 • 5.3Ilcostru3ousatopertrasformarelapiantep.16 • 5.4Protocollosperimentale p.17 5.4.1Ele3roforesisugeldiagarosio;soluzioniereagenH p.17 5.4.2Preparazionedelgeldiagarosio p.17 5.4.3Corsaele3roforeHca p.18 5.4.4Interpretazionedelrisultatodellacorsaele3roforeHca p.19 6.Normegeneralidisicurezzainlaboratorio p.20 7.Quizdiautovalutazione 8.Glossario 1.Conoscenzepropedeu4che 1.1Cos’èilDNA? DNAstaperDeoxyriboNucleicAcid;èunacomplessasostanzachimicachesitrovanelnucleodi tu3elecelluleeportal’informazioneperlosviluppodegliorganismi. • Il DNA è il materiale ereditario responsabile delle cara3erisHche degli individui e quindi dellesomiglianzeedifferenzetraglistessi. • IlDNAèunico,diversodaindividuoaindividuo,ecce3ocheperigemellimonozigo4ci,il cuiDNAèidenHco. • IlDNAèvisualizzatoso3oformadicromosomiduranteladivisionecellulare. 1.2LastruUuradelDNA La molecola del DNA è un polimero, ossia è un insieme di tanH monomeri: i nucleoHdi. Ogni nucleoHde è cosHtuito da tre componenH: u n g r u p p o fo s fa t o , u n o z u c c h e r o (desossiribosio) e una base azotata. La molecola di DNA è formata da due catene polinucleo4diche avvolte l’una intorno all’altra con andamento destrorso. Le due catenesonoan4parallele,cioèiduesingoli filamenH sono orientaH uno in direzione 5’ →3’el’altro3’→5’.Glischeletrizucchero – fosfato si trovano all’esterno, le basi azotateall’interno.Lebasidelleduecatene sono unite tra loro mediante legami a idrogeno (Fig. 1). Le basi sono complementarieilloroappaiamentoè: A=TAdenina-Timina G≡CGuanina-Citosina L’informazione geneHca risiede nella sequenzadibasi. Fig. 1. Struttura della doppia elica del DNA. !3 1.3DalDNAalcromosoma Ciascun cromosoma eucarioHco conHene una lunga doppia elica di DNA che si estende da una estremitàall’altradelcromosomastesso.LalunghezzacomplesssivadelDNAdei46cromosomidi una cellula umana, è circa 2 metri; ne deriva quindi la necessità di compa3are (spiralizzare) la molecola,perchèlasualunghezzasiacompaHbileconledimensionidelnucleo. Alla molecola di DNA sono associaH gli istoni (proteine basiche), essenziali per perme3ere l’avvolgimento e il ripiegamento del DNA in stru3ure estremamente compa3e, vale a dire i cromosomi,visibilisoloduranteladivisionecellulare.IlprocessodispiralizzazionedelDNA(Fig.2) prevedelivellisuccessividiavvolgimento(compa3amento). a) b) Fig. 2. I livelli di organizzazione della cromatina che danno origine ad un cromosoma euariotico. a) Doppia elica di DNA c) d) e) f) !4 b) “Collana di perle” di nucleosomi c) Fibre di nucleosomi addensati a forma di solenoide d) Domini ad anse e) Spirali condensate f) Cromosoma metafasico 1.4Geno4poefeno4po Il geno4po è la cosHtuzione geneHca di una singola cellula o di un singolo organismo, mentre il feno4poèl’insiemedellecara3erisHchevisibilioinqualchemodoevidenziabilidiunacellulaodi unorganismo.Adesempio,fenoHpoènonsoloilcoloredegliocchi,ilcoloredellapelleol’altezza (cara3erisHche visibili), ma anche il Hpo di gruppo sanguigno (cara3erisHca non visibile, ma evidenziabileconsaggidilaboratorio),cosìpureunamodificazionegeneHcainunapiantanonsi vedeosservandola,mapuòessereevidenziataconlaPCResuccessivaele3roforesi(vedi§2.3).Il fenoHpo non è determinato solo dai geni, ma dipende anche dall’interazione del genoHpo con l’ambiente. La statura di una persona, ad esempio, è influenzata dai geni, tu3avia la loro espressione può essere modificata dalle interazioni con l’ambiente esterno (ad esempio, alimentazione)ointerno(adesempio,ormoni). 1.5ReplicazionedelDNA LareplicazionedelDNAintu3elecellulevivenH,daiba3eriall’uomo,èunprocessocomplesso, che richiede l’intervento di più di una dozzina di enzimi diversi. La replicazione comincia in corrispondenza di siH de5 origine di replicazione presenH ad intervalli lungo i cromosomi. In quesH siH, alcune proteine srotolano la doppia elica di DNA, rompendo i legami a idrogeno tra le basi dei filamenHcomplementari. Fig. 3. Rappresentazione grafica della replicazione del DNA, con la formazione dei due nuovi filamenti complementari ai filamenti “stampo” della molecola originaria. L’allineamento e unione tra loro dei nucleoHdi complementari avviene per azione della DNA polimerasi che procede solo in direzione 5’→3’. La DNA polimerasi per iniziare il processo ha anche bisogno di un innesco (de3o anche primer), a cui a3accarsi e procedere con la polimerizzazione. Durante la replicazione del DNA, il primer è cosHtuitodaunacortasequenzapolinucleoHdicadi RNA. La replicazione è semiconservaHva: ogni emielica(singolofilamento)dellamolecolamadreserve dastampoperlasintesidiunnuovofilamento,per cui ogni doppia elica figlia sarà cosHtuita da un filamento vecchio e da un filamento nuovo. Le molecole risultanH sono copie esa3e dell’originale. Da una doppia elica madre derivano due doppie eliche figlie uguali tra loro e uguali alla molecola madre(Fig.3). 1.6VeUoridiclonaggio Un ve3ore è una molecola di DNA capace di replicarsi in una cellula ospite. I ve3ori più frequentemente usaH in biotecnologia sono i plasmidi del ba3erio Escherichia. coli. I plasmidi sono piccole molecole di DNA circolare a doppio filamento extracromosomici che esistono naturalmenteneiba3eri,concuiconvivonocomesimbionH.Sireplicanoautonomamentenella cellulaospite,grazieallapresenzadiunasequenzadiorigine(ORI)dellareplicazione(Fig.4). !5 MolH plasmidi contengono geni che forniscono benefici alla cellula ospite (per esempio geni che codificano enzimi che i n a 5 v a n o g l i a n H b i o H c i , e q u i n d i conferiscono resistenza ad essi), o geni di trasferimento,checodificanoproteinecapaci di formare un tubo macromolecolare a3raverso cui il DNA plasmidico può essere trasferito ad altre cellule. E’ il caso del plasmide Ti contenuto nel ba3erio Agrobacteriumtumefaciens. Per il clonaggio del DNA si usano plasmidi modificaH geneHcamente in laboratorio, da cui sono staH eliminaH praHcamente tu5 i geni e che contenegono solamente una origine di replicazione del DNA (ORI), un Fig 4. Struttura di un plasmide: OR = origine di replicazione del DNA ampr = gene per la resistenza all’antibiotico ampicillina genecheconsentelaselezione(ingenereun gene per la resistenza a un anHbioHco, ad esempioilgeneampr;checonferisceresistenzaall’anHbioHcoampicillina)eunaregioneincui possonoessereinseriHisegmenHdiDNAesogeno. 1.7Trasformazione Latrasformazioneèun’alterazionegeneHcadiunacellula,ba3ericaoeucarioHca,causatadalla assunzione e dalla espressione di DNA esogeno. Incubando ve3ori plasmidici geneHcamente modificaH con cellule ba3eriche, quest’ulHme possono acquisire il DNA plasmidico ed essere trasformate. Per produrre piante geneHcamente modificate (PGM), il plasmide Ti opportunamentemodificatovienereintrodo3onelba3erioAgrobacteriumtumefaciensconcui successivamente si infe3ano le cellule vegetali che si vogliono trasformare. Perché la trasformazionesiastabile(ecioèereditabile)ènecessariocheilDNAplasmidicodiTisiintegri nelcromosomadellacellulavegetale. 2.IntroduzioneagliOGM 2.1ComesifannogliOGM? Gli Organismi GeneHcamente ModificaH (OGM) sono virus, ba3eri, funghi, piante e animali le cuicara3erisHchegeneHchesonostatemodificateinlaboratoriomediantel’inserimentodiun gene estraneo, de3o transgene. In genere uno o più geni presi da altri organismi vengono introdo5nelpatrimonioereditariodell’organismochesivuolemodificarea3raversoparHcolari ve3ori, tra i quali i più usaH sono plasmidi e virus. In parHcolare, per o3enere piante geneHcamente modificate (PGM) si uHlizza un ve3ore naturale, il plasmide Ti, presente nel ba3erioAgrobacteriumtumefaciens,comeillustratonellafigura(Fig.5). Nel plasmide Ti viene introdo3o, con tecniche di ingegneria geneHca, il gene che si vuole trasferireallapianta,insiemeadungenecheconsentadiselezionarelecelluletrasformate(per esempioungenecheconferisceresistenzaaunanHbioHco).Siinfe3anolecellulevegetalicon l’Agrobacteriumtumefaciens“ingegnerizzato”esiselezionanolecelluletrasformate(resistenH all’anHbioHco). !6 A differenza delle cellule animali differenziate, le cellule vegetali sono spesso toHpotenH ed è possibile rigenerare una intera pianta da una singola cellula vegetale. Cellule vegetali transgeniche,quindi,possonodareorigineapiantetransgeniche. Fig.5. La produzione di piante transgeniche resistenti alla larva della piralide è realizzata mediante tecniche di ingegneria genetica su Agrobacterium usato come organismo vettore del gene Bt. 2.2PerchésifannogliOGM? Lepiantevengonomodificatepermigliorarnelaqualità damolHpunHdivista: • a5vitàinse5cida, • resistenzaaerbicidi, • tolleranzaastressambientali, • vitapiùlungaomaturazioneritardata, • migliori qualità nutrizionali delle proteine del seme, • allungamentodeitempidiconservazione, • nuovastrategiaperlaproduzionedivaccini. !7 2.3Fasidell'analisidiunOGM PeresserecerHcheunorganismosiageneHcamentemodificato,bisognaricercarenelsuoDNAla presenzadiungeneestraneo(transgene)cherendel'organismoospiteingradodiesprimereun nuovo cara3ere, non Hpico della specie di appartenenza. Gli OGM sono spesso fenoHpicamente idenHcialHpotradizionaleequivalente,nelsensochel’aspe3ogeneralenonèdiverso,anchese l’OGMhaacquisitounacara3erisHcaereditarianuova,dovutaaltransgene.Ledifferenzepossono esseretrovatealivellogenoHpico,ecioènellasequenzadelDNA.DunqueperidenHficareunOGM bisognaparHredalsuoDNA.E'possibilecomunqueancheunaviaalternaHvaperidenHficareun OGM. Infa5, poiché un gene si esprime a3raverso la sintesi di una proteina, è anche possibile effe3uare la ricerca del prodo3o derivante dall'espressione del gene inserito, ossia la proteina stessa, valutarne le funzioni, ivi compresi i prodo5 che possono derivare dalla sua a5vità (per esempio,produzionedinuovicomponenHnell'organismomodificato). InentrambiiHpidianalisisipartedalprodo3oalimentareinquesHone,de3omatrice. …. Quindi o si ricerca il gene o il prodotto del gene…… !8 LanostraanalisisibasasulprimometodoecomprendeleseguenHfasi: • campionamento • estrazionedelDNA • amplificazioneconPCR • ele3roforesi • analisideirisultaH 3.Primadiandareinlaboratorio 3.1Campionamento Il campionamento rappresenta una fase criHca in un processo di analisi. La buona riuscita dell'analisidipendeinfa5dallemodalitàconcuiesso è condo3o. Il campione predisposto all'analisi deve perciò essere il più possibile rappresentaHvo della matricedipartenzaedessereomogeneo.Lagrande sfida durante la preparazione dei campioni è la produzione di estra5 di DNA che siano rappresentaHvi dell'ogge3o in analisi, che molto spesso è dell'ordine di grandezza del carico di un ba3ello cargo con migliaia di tonnellate di fave di soia o di mais. A causa del miscuglio durante la raccolta, lo stoccaggio e il trasporto, un prodo3o OGM potrebbe non essere ben distribuito nella matrice di partenza, essere, per esempio, più concentratoinunpuntopiu3ostocheinaltri;perciò quando campioniamo dobbiamo eseguire più prelievidallamatriceeinpunHdiversi. Se i prodo5 da analizzare sono aliquote confezionate, si eseguono prelievi casuali di alcune aliquote,rispe3andolanormaHvavigente. Lapreparazionedelcampionedeveessereeseguita conmoltecautele,adesempioinambienHdedicaH, inmododaevitareognipossibilecontaminazioneda partediDNAestraneo. I campioni che vengono so3oposH all’analisi per l’idenHficazione della presenza di OGM sono rappresentaH da semi (mais, soia), ma anche sfarinaH e prodo5 alimentari complessi come prodo5 da forno, prodo5 a base di cioccolato, di !9 soia,cornflakesecc. Un organismo gene4camente modificato (OGM) è un organismo vivente che possiede unpatrimoniogeneHcomodificatotramitetecnichediingegneriageneHca,checonsentono l'aggiunta,l'eliminazioneolamodificadielemenHgeneHci. Con il termine Organismo GeneHcamente Modificato (OGM) si intendono soltanto gli organismi in cui parte del genoma sia stato modificato tramite le moderne tecniche di ingegneria geneHca. Non sono consideraH "organismi geneHcamente modificaH" tu5 quegliorganismiilcuipatrimoniogeneHcovienemodificatoaseguitodiprocessispontanei (modificazionietrasferimenHdimaterialegeneHcoavvengonoinfa5innaturainmolteplici occasioni e tali processi sono all'origine della diversità della vita sulla terra), o indo5 dall'uomo tramite altre tecniche che non sono incluse nella definizione data dalla normaHvadiriferimento(incrociemutagenesiindo3aconradiazioniionizzanHomutageni chimici). Gli OGM vengono spesso indicaH come organismi transgenici: i due termini non sono sinonimiinquantoilterminetransgenesisiriferisceall'inserimento,nelgenomadiundato organismo,digeniprovenienHdaunorganismodispeciediversa.SonoinvecedefiniHOGM anchequegliorganismicherisultanodamodificazionichenonprevedonol'inserimentodi alcungene(es.sonoOGManchegliorganismidalcuigenomasonostaHtolHdeigeni),così come gli organismi in cui il materiale geneHco inserito proviene da un organismo "donatore"dellastessaspecie(cisgenici). In Europa l'uHlizzo di OGM è so3oposto a regole molto rigorose e procedure di autorizzazionecomplesseperlalorocolHvazioneecommercializzazione.Daaprile2015,i paesipossonodecidereseconsenHrelacolHvazionediOGMsulloroterritorio.Tu3avia,per quanto riguarda la commercializzazione, il Parlamento europeo ha votato contro i divieH nazionali. All'interno dell'Unione europea, ad oggi, sono solo 2 gli OGM che hanno o3enuto l'approvazioneperlacolHvazioneinEuropa: 1. Mais Transgenico della Monsanto 810, approvato nel 1998 (colHvato in Spagna, Portogallo,Slovacchia,RepubblicaCeca,RomaniaePolonia). 2.PatataAmflora,dellaBASF,approvatonelmarzodel2010(colHvatainGermaniaeSvezia) maa3ualmentelaproduzionenonèpiùautorizzata. Il mais MON810 è una varietà di mais modificata affinché produca una tossina Bt che funzionadapesHcidaperproteggerelapiantacontroleinfestazionidipiralide(unparassita fitofago del mais). La patata Amflora è il tubero transgenico distribuito e venduto in EuropadallamulHnazionaleBASFnonperscopialimentarimaperl’industriacarHeradatoil suoaltocontenutodiamilopecHnanell’amido. Perquantoriguardal'importazionedapaesiterzi,esistono58OGMa3ualmenteautorizzaH nell'Unione europea per il consumo di alimenH e mangimi. Comprendono mais, cotone, soia,colza,barbabietoladazucchero. Altrisonoina3esadiautorizzazione(vedilink). (h3p://ec.europa.eu/food/dyna/gm_register/index_en.cfm) La maggior parte degli OGM autorizzaH nell'UE sono desHnaH ai mangimi per gli animali d'allevamentomaalcunialimenHimportaHpossonocontenernealtri. IlsistemadieHche3aturaalimentaredell'UEimponealleaziendediindicareseglialimenH oimangimicheproduconocontengonoOGM(quandolapresenzaèaldisopradi0,9%del prodo3o. !10 InItalia,nonviècolHvazionecommercialediOGM.Sonopermessicampisperimentali,ma soloconappositaautorizzazione. MetodidiindagineperlaricercadiOGM • Analisi delle proteine modificate mediante tecniche basate su saggi immunologici per riconoscimentoanHgene–anHcorpo:ELISAoWesternBlot •AnalisidelDNAmodificato:mediantePolymeraseChainReacHon(PCR)perilrilevamento qualitaHvoequanHtaHvo MetodologieanaliHcheperilrilevamentodiOGM Analisidelleproteine AnalisidelDNA TipoELISA PCReRealTimePCR(°) • Facileesecuzione,conpossibilitàdiautomazione • Elevatasensibilitàespecificità • Rapidi,effe3uabilianchesucampoTESTSTRIP • ApplicabileadalimenHfiniH • Pococostosi,disponibilikitcommerciali • QuanHtaHvi • QuanHtaHvi • Costosi • Sensibilitànonelevata • Richiedonostru3uredilaboratorioadeguate • Sononecessarieproteinenondenaturate AiseguenHsiHsipuòtrovarel’elencocompletodegliOGMautorizzaHdallaUnioneEuropea conicara3eriinseriHeirelaHviscopietu3elerispe5vemetodologieanaliHche h3p://ec.europa.eu/food/dyna/gm_register/index_en.cfm h3p://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp 4.Tecnicheu4lizzatenell’aHvitàdilaboratorio EstrazionedelDNA Per estrarre il DNA dai nuclei delle cellule vegetali si devono prima rompere (lisare) le pareH cellulari(ricordarechelecellulevegetali,adifferenzadellecelluleanimali,possiedonounaparete), le membrane plasmaHche e le membrane nucleari; ciò viene effe3uato ponendo il campione in una soluzione omogeneizzante - lisante contenente un detergente che facilita la ro3ura delle membrane cellulari e nucleari al fine di liberare il DNA nella frazione solubile ed uHlizzando un omogeneizzatore. In taluni casi, per esempio se il campione è rappresentato da semi secchi, è richiesta un'azione meccanicapreliminarecomelatriturazioneperridurrelamatricedipartenzainpiccoleparH. PoichéilDNAèassociatoalleproteineistoniche(vedipar.1.3),l'aggiuntadisalecomeilclorurodi sodio (NaCl) alla soluzione, facilita la separazione del DNA dalle proteine. Dopo centrifugazione, nel supernatante saranno presenH DNA, RNA, proteine, polisaccaridi e lipidi. L'aggiunta di proteinasi e di ribonucleasi facilita la digesHone delle proteine (istoniche e non istoniche) e dell'RNA. !11 BisognaoraeseguirelaprecipitazionedelDNAdallasoluzione:essaavvienepermezzodell'etanolo ghiacciato. Il DNA è insolubile in etanolo ghiacciato, perciò aggiungendolo alla soluzione il DNA precipitaso3oformadifilamenHgelaHnosibianchi. LasoluzioneverràpoicentrifugataeilprecipitatodiDNA,risospesoinacquadisHllatasterileoin unaopportunasoluzionetampone,saràprontoperlesuccessivedeterminazioni. PCR(PolymeraseChainReac4on) Si tra3a di una tecnica innovaHva che consiste nell’amplificazione specifica di segmenH di DNA mediantereazioniacatenadellaDNApolimerasi(Fig.6). Ilprincipioèmoltosemplice.DataunasequenzadiDNAadoppiofilamentoeduecortesequenze oligonucleoHdiche (primer), di cui una complementare ad un tra3o di filamento a una estremità delDNAdaamplificare(forwardprimer)el’altracomplementareadunaltrotra3opostoall’altra estremità (reverse primer), in presenza di una DNA polimerasi termostabile e di una miscela di desossinucleoHdi trifosfaH in appropriate condizioni di reazione, è possibile copiare numerosissime volte il tra3o compreso tra i due primers, semplicemente facendo variareciclicamentelatemperatura direazione. Infa5, raggiunta la temperatura di denaturazione (circa 95°C), la doppia elica si apre (fase di d e n a t u r a z i o n e ) , r e n d e n d o Fig. 6. Schema del processo di amplificazione di un frammento di DNA tramite PCR. disponibile lo stampo per una eventuale sintesi delle catene complementari. Quando la temperatura si abbassa, in virtù delle loro minori dimensioni e della loro concentrazione, i primer si legheranno (fase di appaiamento o annealing) al DNA stampo primachesirinaturie,inpresenzadiunaDNApolimerasiconunopHmumditemperaturaelevato (circa 72°C), inizierà la sintesi di DNA a parHre dai primer (fase di sintesi del DNA o extension), procedendolungoifilamenHsingoli. Al termine del primo ciclo di PCR da una doppia elica di DNA se ne o3engono due. Ripetendo il ciclo"denaturazione–annealing–extension"numerosevolte(ingenereda20a30),sio5eneuna massiccia amplificazione specifica di un dato tra3o di DNA che può quindi essere analizzato e studiatoinde3aglio.IlmetododianalisidelDNAmediantePCRpresentavantaggimoltoevidenH: ♦èmoltorapido(da60a90minuH), ♦lamanualitàèsemplicissima, ♦èautomaHzzato, ♦irisultaHsonovisualizzabiliconfacilitàmedianteele3roforesidelDNA ImportanHambiHdiuHlizzodellaPCRsonoladiagnosiprenataledimala5egeneHcheeleindagini dimedicinalegale(siacivilechepenale). Termociclatori IlsuccessodellaPCRèdovutoingranparteallapossibilitàdifaravvenirel’interoprocessoinmodo automaHco all’interno di strumenH de5 termociclatori (thermal cyclers), in grado di variare ciclicamente la temperatura tra le varie fasi di ogni ciclo di PCR. Il costo di un thermal cycler si aggirasui10.000euro. !12 Fig.7Termociclatore Unesempiodiprofilodiamplificazionestandardimpostatomedianteuntermociclatore(Fig.7)èil seguente: 1. denaturazionedelDNA:30seca94°C 2. appaiamento(annealing)deiprimers:30seca50°-60°C 30-35cicli 3. sintesi(extension)diDNA:30sec-5minuHa72°C Taqpolimerasi Il successo della PCR è stato possibile grazie anche all’uso di una DNA polimerasi termostabile estra3a da baUeri termofili (che vivono ad elevate temperature). Una DNA polimerasi uHlizzata nellereazionidellaPCRèlaTaqpolimerasi,estra3adalba3erioThermusaqua>cus.L’isolamento diDNApolimerasitermostabilihasollevatoglioperatoridall’ingratocompitodiaggiungereenzima frescoadogniciclodireazione! Sceltadeiprimer PerogniPCR,ènecessariousaredueprimer(forwardereverse) La scelta della coppia di primer è criHca per una buona riuscita della PCR, ovvero per o3enere l’amplificazionediuntra3odiDNAinmodospecifico. I primer devono essere “disegnaH” a livello di sequenze uniche nel genoma (presenH una sola volta),inmodochepossanoappaiarsialDNAsolonellazonadiinteresseenoninaltrezone. EleUroforesisugeldiagarosio E’ una tecnica che consente di separare in base alle loro dimensioni (peso molecolare) molecole dotate di carica, facendolemigraresuungelinpresenzadiuncampoele3rico.Il gel può essere immaginato come una rete tridimensionale a3raverso le cui maglie migrano le molecole so3o l’azione di un campoele3rico.Ilcampoele3ricoègeneratodaunapparecchio, de3oalimentatore(Fig8). Per separare molecole di DNA si usano gel di agarosio. Le molecole di DNA sono cariche negaHvamente per la presenza di Fig. 8. Cella elettroforetica e alimentatore. gruppifosfatoemigranodalpolonegaHvoversoilpoloposiHvo. Peruncertointervallodipesimolecolari,lavelocitàdimigrazioneè funzione del loro peso molecolare: tanto più grande è la molecola di DNA, tanto minore è la velocità di migrazione, tanto più piccola è la molecola di DNA, tanto più velocemente migra. Le !13 molecole di DNA di diversa lunghezza vengono pertanto separate in base alla diversa velocità di migrazione. Per poter determinare la lunghezza delle molecole di DNA in esame separate mediante ele3roforesi,viene“caricato”sulgelancheilcosidde3omarcatoredipesomolecolare,ossiauna miscela di frammenH di DNA di cui è noto il peso molecolare. Confrontando la posizione dei frammenH a peso molecolare noto con quella dei frammenH di DNA in esame, è possibile calcolarneilpesomolecolare,ossialalunghezza. Dato che il peso molecolare di un frammento di DNA è proporzionale al numero di coppie di nucleoHdi(basi)chelocosHtuiscono,disolitoessovieneespressoinpaiadibasi(bp). La separazione ele3roforeHca dura circa 1 ora. Al termine, i vari frammenH di DNA, essendo incolori,possonoesserevisualizzaH,immergendoilgelinuncolorante.IlDNAdellediverseclassi dipesomolecolareèvisibileso3oformadibandedisHnte:sonolecosidde3ebandediDNA. Per poter visualizzare il DNA, durante la preparazione del gel, all’agarosio si aggiunge l’EuroSafe, unasostanzachehalaproprietàdilegarsialDNAedieme3erefluorescenzaseespostaaluceUV. Allafinedellacorsa,lebandesivisualizzanoesponendoilgelallaluceultraviole3a(Fig.9). Fig. 9. Osservazione del gel alla luce ultravioletta. 5.Iden4ficazionediunOGM Impostazionedelproblema Ilmais(Zeamais,de3oanchegranoturco)OGMcolHvato,èstatotrasformatoperfaresìchesia resistenteagliinse5nocivi,tolleranteaglierbicidi,oconentrambelemodificazioni. 5.1ResistenzaagliinseH Laresistenzaèo3enutafacendoprodurreallapiantaunaproteinatossicapergliinse5prodo3a dal Bacillus thuringiensis, un ba3erio del terreno uHlizzato anche in agricoltura biologica come inse5cidanaturale.Questomicrorganismopossiedeungene(Bt)checodificaperlaproteinaCry, cheèingradodilegarsisele5vamenteaspecificirece3orilocalizzaHnell'epiteliointesHnaledelle larve di alcune specie d’inse5. Il legame della proteina con i rece3ori provoca la distruzione dell'epiteliointesHnaleediconseguenzalamortediquesHinse5. EsistonodiversiHpidiproteineCryprodo3edadifferenHso3ospeciediBacillusthuringiensische esibiscono un’elevata specificità di azione nei confronH di diversi Hpi d’inse5. I mammiferi, non avendoirece3oriperleproteineCry,sonoresistenHallasuaazionetossica. Perconferireadunaspecievegetaleilcara3erediresistenzaneiconfronHdiunparHcolareHpodi inse3oèsufficienteintrodurrenelsuogenomailgenechecodificaperlatossinaCryspecificaper quell'inse3o. In tal modo la pianta sarà in grado di produrre la proteina Cry che esplica la sua azionebioinse5cidaquandol'inse3odannosoa3accalapianta,cibandosideisuoitessuH. !14 IlmaisBtsembrapresentarevantaggiancheriguardoaunaltroproblemadegliagronomi.Nelmais sono spesso presenH tossine (aflatossine) dovute all’infezione da parte di muffe. Le aflatossine hannotossicitàacutaecronicaea5vitàcancerogenasuanimalieuomo. Adesempio,lapiralideèuninse3olecuilarvescavanogallerienellostoccoenellaspigadelmais trasportandosporefungine,chegeneranoleinfezionisopracitate. UHlizzare mais geneHcamente modificato resistente alla piralide potrebbe risolvere questo problema. Fig.10.ComelaproteinaCryagiscenellelarvedellapiralide 5.2Tolleranzaaglierbicidi Diversi sono gli erbicidi uHlizzaH in natura per comba3ere le erbe infestanH. Il glifosato è il principioa5vopresenteinalcunidiessi. !15 Incondizioninormali,organismivegetali,ba3eriefunghiproduconounenzimanotocomeEPSPS (5-enolpiruvil-shikimate-3-fosfato-sintetasi)cheagiscenellabiosintesidegliamminoacidiaromaHci comefenilalanina,Hrosinaetriptofano. Questo enzima è prodo3o nei ba3eri e nelle piante, mentre è assente negli animali. Il glifosato agiscedainibitorecompeHHvodell'enzimaEPSPS.Avendounageometriamolecolaresimilealsuo substrato (il fosfoenolpiruvato), il glifosato compete col substrato naturale per il legame al sito a5vodell’enzima. La tolleranza al glifosato è o3enuta inserendo nella WT plant GMO plant pianta un transgene che codifica per una variante EPSPS* dell’enzimacheèpocoinibita EPSPS* EPSPS dal glifosato stesso. Questa P PE P PE EPSPS* variante di EPSPS è o3enuta EPSPS EPSPS d a u n c e p p o d i A . P PE tumefaciens resistente al EPSPS glifosato. EPSPS EPSPS* EPSPS ph gly ph gly gly ph ph gly ph gly ph gly ph ph gly ph gly gly ph gly ph gly EP P La pianta geneHcamente m o d i fi c a t a s o p r a v v i v e EPSPS EPSPS EPSPS* all’erbicida poiché l’a5vità dell’enzima EPSPS di A. P PE tumefaciens è sufficiente a rimpiazzarequelladell’EPSPS EPSPS*: transgene P natural substrate: phosphoenolpyruvate from A. tumefaciens PE EPSPS* endogeno, che è inibito d a l l ’e r b i c i d a . L e e r b e herbicide: glyphosate infestanH, che non sono Fig.12.Nellepiantewildtype(WT),ilglifosatocompetecolsubstrato trasformate, muoiono a naturale(PEP)perillegameall’enzimaEPSPS.NellepianteOGM,ilprodo3o c a u s a d e l l ’ a z i o n e deltransgeneEPSPS*nonlegailglifosatoeperme3elasopravvivenzadella dell’erbicida. pianta,anchesetra3ataconl’erbicidaglifosato. Ciò comporta un doppio vantaggio:sialapossibilitàdi uHlizzare tra3amenH che discriminano tra piante uHli (geneHcamente modificate) ed erbe infestanH, sia una riduzione dell’uso di erbicidi con conseguente riduzione dei cosH e d’impa3o ambientale. ph P PE gly ph ph gly gly ph P PE ph gly gly ph ph gly gly h ph p gly gly ph gly ph gly 5.3IlcostruUousatopertrasformarelapiante Il transgene è stato inserito nel ve3ore di clonaggio (vedi paragrafo 1.6) in una casse3a di espressionegenica.Amontedelgenesitrovailpromotorecheregolaillivellodiespressionedel geneeavalleunterminatore,chefungedasegnaledistopperl’RNApolimerasiedeterminala finedellatrascrizione(Figura13). IgenipiùcomunementeinseriHnellacasse3adiespressionediunapiantaOGMsono: - PromotoreCAMV35S:promotoredelgeneperl’RNA35Sdelvirusamosaicodelcavolfiore,che ècosHtuHvoedeterminaelevaHlivellidiespressionedelgenechelosegue. - GeneEPSPS:diAgrobacteriumtumefaciensCP4,codificaperla5-enolpiruvilshikimato3fosfatosintasi,rendelapiantatolleranteall’erbicidaglifosato. - GeneCTP2-epsps:geneEPSPSacuièstatoaggiuntoilpepHdesegnaledelgeneEPSPSdi Arabidopsisthalianausatoperveicolarloalcloroplasto(CTP:Chloroplast-TranspepHde-signal sequence). !16 GenenptII:codificaperlaneomicinafosfotransferasi,conferisceresistenzaaglianHbioHci aminoglicosidici,comelakanamicinaelaneomicina. Genepat:codificaperlafosfinotricinaaceHl-trasferasiderivantedalloStreptomyces viridochromogenes,cheinduceaceHlazioneedina5vazionedell’erbicidaglufosinate. GeneCry:produceunaproteinapresadalBacillusthuringiensis,cheformaporinell’intesHno dellalarva. TerminatoreNOS:Terminatoreo3enutodalgenedellanopalinasintetasidiAgrobacterium tumefaciens. linkpertrovareinfosemenH: h3p://www.gmo-compass.org/eng/gmo/db/ 5.4Protocollosperimentale 5.4.1EleUroforesisugeldiagarosio:soluzioniereagen4 tampone TBE (Tris-Borato-EDTA) 1x. Questo tampone si prepara facendo una diluizione 1:10 • dellasoluzione“madre”TBE10x,lacuicomposizioneè: Tris108g(0,89M) acidoborico55g(0,89M) EDTA7.5g(0,02M)pH8,3 H2Oa1litro IlpH8,3vieneraggiuntoautomaHcamente. •DNAprodo5conlaPCR,giàpronH •marcatoredipesomolecolare(DNAdelplasmidepUC8tagliatoconl’enzimadirestrizioneHaeIII) •agarosioinpolvere(0.6g) •H2OdisHllata •Eurosafe • loadingdye6x,giàprontoineppendorfecontenente: bludibromofenolo0.25% xilenecianolo0.25% glicerolo30% 5.4.2Preparazionedelgeldiagarosio Notadilaboratorio:laconcentrazionediagarosiodelgelvienesceltadalricercatoreinbasealle dimensioni dei frammenH di DNA da separare. Nel nostro caso, dovendo separare frammenH linearidiDNAcompresitra100e2.000bpsiuHlizzaungeldiagarosioal2%. !17 Normedilavoro: ❑perchihaicapellilunghi:legarsiicapelliconunelasHco ❑primadicominciarealavorare,lavarsilemani ❑ prima di cominciare l’esperimento, lo studente verrà familiarizzato con la strumentazione che dovràuHlizzaare,inmodoparHcolareconlemicropipe3e Operazionidasvolgereperlapreparazionedelgeldiagarosio: ❑prelevare30mlditamponeTBE1xeme3erlonellabeutacontenentel’agarosio ❑A3enzioneanonsprecareagarosio:costa600euroalchilo! ❑pesarelabeutacontenentelasoluzionediagarosioesegnareilpesosulprotocollo:_______ ❑leggereaEentementela“Notadisicurezzasullau>lizzazionedelfornoamicroonde” ❑scioglierel’agarosionelfornoamicroondeimpostatosullapotenzadi500Vper1minuto.Aprire poi il forno a microonde, agitare delicatamente la soluzione con una presina, facendo a3enzione a non sco3arsi. Richiudere il forno a microonde e sciogliere la soluzione per un ulterioreminutoallastessapotenza ❑ pesare la soluzione di agarosio (l’acqua del tampone, bollendo, è evaporata!) e riportare la soluzionediagarosioalpesooriginale,uHlizzandounaspruzze3aconH2OdisHllata.A3enzione: far cadere l’acqua delicatamente, facendola scivolare lungo i bordi della beuta, altrimenH si formanodellebolle ❑prepararelavasche3aperele3roforesiconbordidi“nastroadesivodicarta” ❑aspe3are3-5minuH,coprendolabeutacontenentelasoluzionediagarosioconunpezze3odi stagnola, per evitare l’evaporazione. L’agarosio deve raggiungere una temperatura intorno ai 60°C, altrimenH rovina il supporto di plasHca della vasche3a dell’ele3roforesi. Me3ere 1 μl di EuroSafe e agitare la beuta dolcemente. Quindi versare la soluzione di agarosio, evitando di formarebolle,nellavasche3aperele3roforesidoveègiàstatoinseritoilpe5ne.Ipozze5si formanoquando,unavoltasolidificatoilgel,vienetoltoilpe5ne ❑lasciaresolidificareatemperaturaambientepercirca15min.Quandoilgelèsolidificatodiventa opaco ❑mentresiaspe3alasolidificazionedelgel,faredelleprovedicaricamentodeipozze5delgel (12μldiloadingdye1x)sualtrigelgiàpronH ❑togliereilnastrodicartadallavasche3aeposizionarlanellacameradicorsa ❑versareiltamponeTBE1xnellacameradicorsa(servonocirca200ml),evitandochesiformino bolle.Sesiformanobolle,toglierledelicatamenteconunpuntale ❑ togliere lentamente il pe5ne, tenendosi perpendicolare rispe3o al gel. I pozze5 che si sono formaHnelgelhannounvolumedicirca15μl 5.4.3CorsaeleUrofore4ca Operazionidasvolgereperlacorsaele6rofore8ca: ❑ aggiungere 2 µl di loading dye 10x a ciascuna prove3a contenente il DNA (o3enuto per amplificazione con la PCR). Risospendere con la micropipe3a, evitando di formare bolle. Il glicerolopresentenelloadingdyeserveperrenderepiùdensalasoluzionediDNAdacaricare nelpozze3oequindiafacilitarnel’entratanelpozze3o ❑sesiformanobolle,centrifugarebrevemente(1sec)inunamicrocentrifugaeppendorf(ingergo dilaboratorio,sidice“spinnare”daspin,centrifugare) ❑leggereaEentementela“Notadisicurezzasullau>lizzazionedellacentrifuga” ❑ posizionare la vasche3a per l’ele3roforesi su un foglio nero, perchè sia più facile individuare i pozze5 !18 ❑ nel primo pozze3o a sinistra, caricare lentamente il marker di DNA a peso molecolare noto; caricarepoiicampioni(12µl)da1a6,neipozze5successivi(ognipozze3ohaunvolumedi15 µl), ponendosi con la punta della micropipe3a in un angolo del pozze3o e perpendicolare rispe3o al gel, facendo a3enzione a non bucare il fondo del pozze3o e a non far uscrie il campionefuoridalpozze3o ❑chiudereilcoperchiodellacellaele3roforeHca ❑leggereaEentementela“Notadisicurezzasullau>lizzazionedell’apparatopereleEroforesi” ❑collegareimorse5allacameradicorsaeaipolidelgeneratoredicorrente,de3oanchepower supply;ilDNAècariconegaHvamenteemigraversoilpoloposiHvo ❑ fissare il voltaggio al valore costante di 100 V e lasciare procedere la corsa ele3roforeHca per circa50min ❑ osservare la migrazione del loading dye per valutare la migrazione del DNA, che, essendo incolore,nonsipuòvedere.Ilbludibromofenolomigraallastessavelocitàdiunframmentodi DNA a doppia elica di circa 300 bp, mentre lo xilene cianolo migra alla stessa velocità di un frammentodicirca4.000bp.A3enzione:lacorsaele3roforeHcadeveesserefermataquandoil bludibromofenolositrovaacirca1-2cmdallafinedelgel,inmododaevitarecheilDNAesca dalgelstesso.Sedovessesuccedere,siperdonoicampionidiDNA! Operazionidasvolgereallafinedella corsaele6rofore8ca.Questaoperazionevienesvoltadal tutor: ❑alterminedellacorsa,osservareilgelaltransilluminatore ❑ documentare il risultato del gel, facendo una foto al gel (ricordarsi di portare una macchina fotograficadigitale!) 5.4.4InterpretazionedelrisultatodellacorsaeleUrofore4ca PM: marcatore di peso molecolare corsia 1: DNA di mais non OGM (controllo negativo, contiene solo il gene della tubulina) corsia 2: DNA di mais OGM (controllo positivo con gene Bt e gene EPSPS) corsie 3: campionamenti corsia 8: bianco di PCR (costituito dalle stesse soluzioni e dagli stessi tamponi utilizzati, ma che non contiene DNA del campione. Serve per dimostrare l'assenza di DNA contaminante durante tutte le fasi di lavoro) campioni OGM- OGM+ bianco Tubulina EPSPS BT !19 SEME BT Maize(GA21)MON-ØØØ21-9 [Syngenta] EPSPS feno4po mepsps Tolleranzaaerbicidaglifosato Maize(MON810)MON-ØØ81Ø-6 cry1A(b) [Monsanto] Maize(NK603xMON810) MON-ØØ6Ø3-6xMON-ØØ81Ø-6 [Monsanto] cry1Ab Resistenzaalepido3eriinfestanH cp4epsps Resistenzaalepido3eriinfestanH Tolleranzaaerbicidaglifosato TabelladellesemenHrealmenteincommercio 6.Normegeneralidisicurezzainlaboratorio Qui di seguito sono elencate alcune norme elementari di sicurezza, che devono essere tassaHvamenterispe3ate. ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ Entrandoinlaboratorio,individuareleviedifuga,indicatedallasegnaleHcaverde. In laboratorio indossare sempre il camice. Il camice deve essere chiuso sul davanH, con manichelungheepolsiniadelasHco.Alterminedellea5vità,primadilasciareillaboratorio, togliersi il camice. In ogni caso, non uscire dal laboratorio, per recarsi in altre aree (biblioteca,uffici,bar,ecc.),senzaaverprimatoltoilcamice. Nonintrodurreinlaboratorioborse,zainioaltromaterialenonnecessario. Indossare guanH monouso durante la manipolazione di sangue o di materiale da esso derivatononfissato.IguanHdevonoessererimossicona3enzioneesosHtuiHquandosono visibilmente contaminaH. I guanH si sfilano rovesciandoli e vanno ge3aH negli apposiH contenitori. Gli studenH che presentano dermaHH o altre lesioni sulle mani, devono indossare guanH prote5viintu3elefasidilavoro. I guanH vanno tolH, quando si usino strumenH di qualsiasi natura (telefono, tasHera, strumenHscienHfici,maniglie,ecc.).IguanHusaHnonvannoriuHlizzaH. Lavare le mani rouHnariamente, immediatamente dopo la manipolazione di materiali contaminaH e, in ogni caso, dopo la fine delle a5vità, anche quando sono staH indossaH i guanH.Lavaresemprelemaniprimadilasciareillaboratorio. In laboratorio è vietato mangiare, bere, fumare, portare ogge5 alla bocca ed applicare cosmeHci. Nonpipe3aremaiconlabocca,mauHlizzareleappositepropipe3e. NonappoggiarerecipienHcontenenHliquidibiologicivicinoalbordodelbancodilavoro. Tu3o il materiale biologico d'origine umana (sangue, ecc.) deve essere considerato come potenzialmenteinfe3oepertantotra3atoconlenecessarieprecauzioni. Segnalare immediatamente al personale docente ogni spargimento di materiale biologico (ades.schizzidisangue)sulpianodilavoro,affinchésiprovvedaalladecontaminazionecon ungermicidachimicoappropriato(candeggina,ecc.). !20 ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ Decontaminareepuliresempre,alterminedellorouHlizzo,leapparecchiaturescienHfiche e,alterminedellaa5vità,ipianidilavoro. Seguirescrupolosamenteleindicazionidisicurezzariportateneiprotocollidiesperimento. Raccoglieretu5iliquidibiologici(sangue,terrenidicolturavenuHaconta3oconlecellule, cellule,ecc.)inspecialicontenitoriperrifiuH,cheverrannosuccessivamenteeliminaHprevio tra3amentoconcandegginaal15%. Me3ere il materiale disposable (pipe3e, fiasche ecc.) venuto a conta3o con materiale biologicoinunsaccoapposito,cheverràsmalHtomedianteincenerimento. StanteicosHelevaHdellosmalHmento,ridurreilpiùpossibilel’usodelmaterialedisposable. Segnalare immediatamente al personale docente qualsiasi incidente o la mancanza di materialediprotezione U4lizzodelfornoamicroonde • nonaccendereilfornoseèvuoto • nonuHlizzareilfornoconmaterialiinfiammabili • non uHlizzare il forno con recipienH sigillaH (potrebbero esplodere): svitare i tappi delle bo5glie,rimuovereicoperchi • nonuHlizzareilfornoconogge5metalliciometallizzaH:(es.bo5gliecopertedistagnola)e concartad’argento • nonriempireeccessivamenteirecipienH:illiquidobollendo,potrebbetraboccare • proporzionarelapotenzaeiltempodiriscaldamentoalcontenutoinacquadiquantoviene riscaldato.InparHcolare,nelcasodisoluzioniacquose,illiquidopotrebbesurriscaldarsioltre il punto di ebollizione, senza che appaiano bollicine. Ciò può portare al traboccamento improvviso di liquido bollente. Per prevenire questo pericolo, mescolare il liquido prima di scaldarloelasciarloriposareperqualcheminutoprimaditogliereilrecipientedalforno • uHlizzareiguanHimbo5HpertogliereirecipienHdalforno • dopol’usopulireilfornoconcartaspruzzatacondetersivopervetri • incasodiincendiodelcontenutodelforno,tenerechiusalaporta,spegnereilforno,staccare laspinadallapresadicorrentelasciandocheilfuocosiesHnguapersoffocamento U4lizzodellacentrifuga • chiudere accuratamente il tappo delle prove3e, per evitare la fuoriuscita di liquido e la formazionediaerosol • assicurarsi che il rotore sia bilanciato: prove3e di ugual peso devono essere inserite negli alloggiamenHdiametralmenteopposH • chiudereilcoperchiodellacentrifugaprimadiavviarla • noncercarediaprireilcoperchioprimadelcompletoarrestodelrotore • incasodifuoriuscitadiliquidodalleprove3e,avverHreilpersonaledocente U4lizzodell’apparecchiaturapereleUroforesi • assicurarsichel’alimentatoresiaspento,primadicollegareimorse5 • assicurarsicheilcoperchiodellavasche3asiacorre3amenteposizionato,primadicollegarei morse5 • alla fine della corsa, prima di rimuovere il coperchio della cella ele3roforeHca, spegnere l’alimentatoreestaccareimorse5 !21 7.Quizdiautovalutazione 1. Completailbrano,scegliendotraiseguen>termini: soma>che,diploidi,aploidi,poliploidi,germinali,embrione,spora,sessuali,mitosi,meiosi,game>, cellulauovo,spermatozoo,zigote,aneuploidi,fecondazione Nella maggior parte degli esseri vivenH, uomo compreso, le cellule del corpo, ossia le cellule…………, hanno un corredo cromosomico doppio e perciò sono de3e cellule………….. Mediante il processo di………………, alcune cellule cellule, de3e………….danno origine a cellule riprodu5ve o ……………… Queste cellule si chiamano……………. e …………………, rispe5vamente nel maschio e nella femmina. Queste cellule si fondono durante il processo della ………….. e danno origineallaprimacelluladelnuovoorganismo,de3a…………. 2. IlDNAdell’uomoèdiversodaindividuoaindividuo,ecce3ochenelcasodi: A. maritoemoglie B. fratelloesorella C. genitoriefigli D. gemellidizigoHci E. gemellimonozigoHci 3. QuestodisegnorappresentaunnucleoHde. DefiniscileparHA,BeC: A……………………………. B…………………………… C……………………………. 5 4. LedueemielichediunamolecoladiDNAsonoanHparallele.Questaaffermazionesignifica che: A. unaemielicahaladirezione5’P3’OHel’altra3’OH5’P B. i legami chimici che tengono uniH i nucleoHdi in ciascuna emielica sono diversi C. ledueemielichesonocomplementari D. unasoladelledueemielichevienetrascri3a E. lareplicazionedelDNAèsemiconservaHva 5. Indicareilcorre3oordinedecrescentedidimensioni: A.gene,cromosoma,nucleoHde,codone B.cromosoma,gene,codone,nucleoHde C.nucleoHde,cromosoma,gene,codone D.cromosoma,nucleoHde,gene,codone E.gene,cromosoma,codone,nucleoHde 6. Gliistonisono: A. tra5diDNAspecificiperl’a3accodellapolimerasi B. proteinebasicheuHlizzatecomemarcatorinell’ele3roforesi C. proteinebasichecoinvoltenellaspiralizzazionedelDNAneicromosomi D. sequenzediDNAcodificanteparHcolariproteine !22 E. sequenzeripetutediDNA,chedeterminanopolimorfismoallelico 7.LadenaturazionedelDNAconsistenelladistruzione: A. deilegamitranucleoHdiadiacenH B. deilegamitrazuccherooebaseazotatadeinucleoHdi C. dellastru3uraadoppiaelica D. dellasequenzanucleoHdicadelladoppiaelica E. nessunadelleprecedenH 8. InunorganismocheproducegameHcontenenH32cromosomi,ilnumerodeicromosomi contenuHinunacellulasomaHcaè: A. 16 B. 32 C. 4 D. 64 E. 8 9. Almicroscopioo5coèpossibileosservare: A. virus B. ribosomi C. proteine D. ba3eri E. molecoleinorganiche 10. DefiniteiseguenHtermini: gene…………………………………………………………………………………… locus…………………………………………………………………………………… 11. InquestodiagrammadelprocessodireplicazionedelDNA,iquadraHninericontrassegnaH daDedEsono: A.RNAiniziatore(primer) B.DNAfilamentostampo(templatestrand) C.frammenHdiOkazaki D.DNApolimerasi E.filamentodiDNAdinuovasintesi 12.LareplicazionedelDNA:(IdenHficarel’affermazionesbagliata) A. ècatalizzatadall’enzimaDNApolimerasi B. avvieneinmodosimileintu3elecelluleditu5gliorganismi !23 C. richiedel’interventodinumerosienzimi D. necessitadellapresenzadiuninnescoaRNA E. avvienemedianteaggiuntadinucleoHdiindirezione3'→5' 13.LareplicazionesemiconservaHvadelDNAassicurachesianoprodo3e: A. due molecole idenHche di DNA, ognuna formata da una emielica già esistenteedaunaemielicaneo-formata B. moltemolecolediRNA,dellequalisoloalcunematuranoaRNAmessaggeri C. qua3romolecolediDNA,dellequalisoloduevengonoconservate D. dueemielicheidenHchediDNA,ognunacomplementarealDNAstampo E. unasolaemielicadiDNA,copiandounosolodeiduefilamenHstampodiDNA 14.UnamolecoladiDNAèformatadaunfilamentocheinuncertotra3oècosHtuitodalla seguentesequenzanucleoHdica: 5’ATCCATTGTGTCAATT3’ Scriviquelladelfilamentocomplementare,indicandonelapolarità. 15. LaTaqpolimerasiè: A. unenzimacheintervienenellareplicazionedelDNA B. unenzimaestra3odaunba3eriotermofilo,usatonellereazionidellaPCR C. ilcolorantecheperme3edivisualizzarelebandediDNAnell’ele3roforesi D. l’enzimachefavoriscel’annealingdeiprimerneitermociclatori E. unmarcatoredipesomolecolareusatonell’ele3roforesi 16. Glienzimidirestrizione: A. separanoladoppiaelicadiDNAneiduesingolifilamenH B. copianounaporzioneristre3adiDNA C. introduconogeniestraneinelDNA D. taglianoilDNAalivellodisequenzenucleoHdichespecifiche E. eliminanotra5diDNA 17. Quale delle seguenH affermazioni riguardo all’ele3roforesi del DNA su gel di agarosioècorre3a? A. l’ele3roforesisugelseparalesingolebasiazotatedelDNA B. nelcorsodell’ele3roforesisugeliframmenHdiDNAmigranoversol’ele3rodo posiHvoacausadellalorocaricanegaHva C. iframmenHpiùgrandidiDNAcopriranno,nellostessotempo,distanzemaggiori nelgelrispe3oaiframmenHpiùpiccoli D. questatecnicaèusataperamplificareilDNA E. éunatecnicacheperme3editagliareilDNAinframmenH 18. Effe3uandol’ele3roforesidelDNAspiegate: a-qualecaricaassumeilDNAeacosaèdovuta b-ilversodimigrazione 19. L’acronimoPCRstaper: …………………………………… !24 20. La tecnica della PCR consiste di vari cicli di amplificazione della sequenza “bersaglio”diDNA.Ogniciclodiamplificazione,asuavolta,ècosHtuitodatrefasi.Indicare quali. fase1:_______________________ fase2:________________________ fase3:_________________________ 21. IprimeruHlizzaHnellaPCR: A. sonosequenzeripetutediDNA B. sonooligonucleoHdiritagliaHdaglienzimidirestrizione C. peressereuHlizzabilidevonoesserepresenHmoltevoltenelfilamentodiDNA D. sono corte sequenze nucleotodiche arHficiali complementari al DNA da amplificare E. cosHtuiscono i marcatori di peso molecolare usaH come riferimento nell’ele3roforesi 22. ImarkersdipesomolecolareusaHnell’ele3roforesiperindividuarelalunghezzadei frammenHdiDNAsonomisceledi: A. molecole proteiche, a peso molecolare noto, che vengono fa3e migrare nella cellaele3roforeHcainsiemeaicampionidaanalizzare B.molecolediDNA,apesomolecolarenoto,chevengonofa3emigrarenellacella ele3roforeHcainsiemeaicampionidaanalizzare C. varie molecole di DNA e proteine, a peso molecolare noto, che vengono fa3e migrarenellacellaele3roforeHcainsiemeaicampionidaanalizzare D.isotopiradioa5viusaHpermarcareiframmenHdiDNAdaanalizzare E. coloranH a peso molecolare noto che vengono fa3e migrare nella cella ele3roforeHcainsiemeaicampionidaanalizzare 23.LatecnicadellaPCR:(IdenHficarel’affermazionesbagliata) A.necessitadielevatequanHtàdiDNAperpoterneeffe3uarel’amplificazione B.consentediamplificareunaregionespecificadelgenoma C.sibasasull’uHlizzodidueprimer D.ècosHtuitadavariciclidiamplificazione E.uHlizzaunaDNApolimerasitermostabile 24.UnadelleapplicazionidellatecnicadellaPCRè: A.idenHficazionedegliOGM B.idenHficazionedellapresenzadiunaproteinanelsangue C.separarazionedimolecolediDNAadestremitànote D.determinazionedellacomposizioneinbasidiunamolecoladiDNA E. taglio di un ve3ore plasmidico per la successiva clonazione di un frammento di DNA 25.Unorganismoincuièstatoinseritoungeneestraneoède3o: A.mutante B.transgenico C.traslocato D.poliploide E.procarioHco !25 26.Ive3oridiclonaggio:(idenHficarel’affermazionesbagliata) A.nonpossonoreplicareilproprioDNAautonomamentedallacellulaospite B.contengonounoopiùmarcatoridiselezione C.contengonosiHdirestrizioneperl’inserimentodiDNAesogeno D.veicolanoilframmentodiDNAinessiinserito E.devonoesserepresenHall’internodiunacellulaospiteperpotersipropagare 27.Qualeèladefinizionecorre3adeltermine“tecnologiadelDNAricombinante”: A. metodidiuHlizzazionespecificadicellulemodificate B. inserimentodiungeneinuncromosoma C. introduzionediungeneinunacellula D. modificazionegeneHcadiunuovofecondatoodiungamete E.inserimentoedespressionedigeniestraneineiba3erioinaltriorganismi 28.NellatecnologiadelDNAricombinante,iltermineveEoresiriferiscea: A. l'enzimadirestrizionechetagliailDNAinframmenH B. l'estremitàdiunframmentodiDNAgeneratadaunenzimadirestrizione C. unamolecoladiDNAusatapertrasferireDNAesogenoinunacellulaospite D. unorganismoounacellulageneHcamentemodificato E. unprimeruHlizzatonellatecnicadellaPCR 29.Unve3orediclonaggioplasmidicoè:(idenHficarel’affermazionesbagliata) A. conHeneunapropriaoriginedireplicazione B. conHeneungeneperlaresistenzaadunanHbioHco C. siintegranelcromosomaba3ericoricombinandosialivellodelsitodiclonazione D. èunamolecoladiDNAincuièpossibileinserire,alivellodelsitodiclonazione, unamolecoladiDNAesogena E. èunamolecoladiDNAcircolareconsiHperenzimidirestrizioneconosciuH 30.RiempireglispazivuoH: A. LasiglaOGMstaper….. B. LepianteGMsonopianteincui,conletecnologiedelDNAricombinante,sono staHintrodo5unoopiù………….provenienHdaaltriorganismivivenH C. LamaggiorpartedellepianteGMa3ualmentecolHvatesonostatemodificateal finedirenderle……….. 31.AnalizzoirisultaHdiunacorsaele3roforeHcanellaqualesonostaHcaricaH5pozze5nel seguente modo: 1=marcatore di PM, 2=campione, 3=controllo posiHvo, 4=controllo negaHvo,5=bianco.PossodirecheilDNAdelcampioneconHenematerialegeneHcamente modificatose: A. ilcampionepresentaunabandadiPMdiversodaquelladelcontrolloposiHvo B. ilcampione,ilcontrolloposiHvoeilbiancomostranounabandadellostessoPM C. ilcampione,ilcontrolloposiHvoeilcontrollonegaHvomostranolabandadiPM a3eso D. ilcampioneeilcontrolloposiHvomostranolabandadiPMa3eso E. SoloilcontrolloposiHvopresentalabandadiPMa3eso 32.ElencaalmenoduemoHvipercuivengonoprodo3epianteGM. 33.PerprodurrepianteGMinlaboratorioènecessario:(idenHficarel’affermazionesbagliata) !26 A. B. C. D. selezionareungeneuHle selezionarelepiantechehannoinseritoilgene propagarelapiantaGM incrociare piante “selvaHche” selezionate per o3enere nuove varietà nella progenie E. uHlizzareunve3oreba3ericoperinserireilgene“nuovo”nellecellulevegetali 34.Nellareazioneacatenadellapolimerasi(PCR),ilprimerhalafunzionedi: A.innescoacuisia3accalaDNA-polimerasiperiniziarelapolimerizzazionedelDNA B.indicareilprimonucleoHdedelDNA C.provocarelasuddivisionedelDNA D.a5vareilDNA E.a5vareinucleoHdi 35.LaPCRvieneuHlizzataper: A. o3enererapidamenteungrannumerodicopiediunsegmentospecificodiDNA B. frammentareilDNA C. duplicanrel’interocorredocromosomico D. produrre in poco tempo una nuova colonia di cellule a parHre da una cellula clonata E. o3enereungrannumerodienzimidallamedesimacopiadiDNA 36.NellaPCRilprimopassaggiodiognicicloèladenaturazioneadaltatemperaturadelDNAstampo.Ladenaturazioneènecessariaper: A.a5varelaDNApolimerasi B.separareiduefilamenHdelladoppiuaelicadelDNA C.perme3ereaideossiribonucleosiditrifosfaH(dNTP)diaccederealDNA-stampo D.volgereilDNAperconsenHreallasintesidiprocedere E. svolgere il DNA per consenHre ai filamenH complementari di riappaiarsi corre3amente 37.NeitermociclatorisiusaunapDNApolimerasitermostabileperché: A. èingradodifunzionareaqualsiasitemperatura B. unisceifilamenHdiDNAadaltatemperatura C. denaturailDNA D. generanuovienzimi E. nonperdelapropriaa5vitàquandoso3opostaasuccessiviciclididenaturazione 38. Quale delle seguenH affermazioni riguardo l’ele3roforesi del DNA su gel di agarosio è corre3a?(Piùdiunarispostapuòesserecorre3a) A. l’ele3roforesisugelseparalesingolebasiazotatedelDNA B. nel corso dell’ele3roforesi su gel i frammenH di DNA migrano verso l’ele3rodo posiHvoacausadellalorocaricanegaHva C. iframmenHpiùgrandidiDNAcopriranno,nellostessotempo,distanzemaggiori nelgelrispe3oaiframmenHpiùpiccoli D. i frammenH più grandi di DNA copriranno, nello stesso tempo, distanze minori nelgelrispe3oaiframmenHpiùpiccoli E. èunatecnicacheperme3ediseparareilDNAdalleproteine !27 39.Completarelaseguentefrase: “Dal momento che il DNA ha carica _________ esso migra verso il polo ________ in unacellaele3roforeHca” A.posiHva,posiHvo B. posiHva,negaHvo C. negaHva,posiHvo D.negaHva,negaHvo E. neutra,neutro 40. Comesifaadeterminareseunapiantaètransgenica?(Piùdiunarispostapuòessere corre3a) A. si determina la sequenza nucleoHdica di tu3o il DNA della pianta e la si confrontaconquelladiunapiantasicuramenteselvaHca(ossianontransgenica) B. siamplificaunasequenzadiDNAspecificadelcloroplasto C. siricercailprodo3oderivantedall'espressionedelgeneesogenoinserito D. siusalatecnicadellaPCR E. siguardal’eHche3asulprodo3o 41.UnapiantageneHcamentemodificatasiproduce: A. trasferendoilnucleodaunacellulaadun’altra B. inserendonuovigeniinunacellulavegetalemedianteunopportunove3ore C. trasferendogenidaunacellulavegetaleadun’altra D. incrociandotraloropianteappartenenHaspeciediverse E. ilgenomadellapiantadamodificareinunplasmide 42.Peruncorre3ocampionamento,icampionivengonoselezionaHprelevando: A. un campione a caso nella matrice, indipendentemente dalla quanHta’ di materialedaesaminare B. molH campioni uniformemente distribuiH nella matrice, e scegliendone uno a caso C. molH campioni uniformemente distribuiH nella matrice, mescolandoli ed estraendoneuncampione D. molH campioni adiacenH nella matrice, mescolandoli ed estraendone un campione E.molHcampioniuniformementedistribuiHnellamatrice,eanalizzandolitu5 43.LametodicadanoiuHlizzataperl’idenHficazionediunOGMcomprendeleseguenHfasi. Indicarequaleèl’ordinecorre3o. A. preparazione del campione, estrazione del DNA, amplificazione del DNA, ele3roforesidelDNAamplificato,valutazionedeirisultaH B. preparazionedelcampione,estrazionedelDNA,ele3roforesidelDNAestra3o, PCR,valutazionedeirisultaH C. preparazione del campione, estrazione della proteina, PCR, ele3roforesi del DNAricavatodallaproteinaestra3a,valutazionedeirisultaH D. preparazionedelcampione,PCR,ele3roforesidelDNAamplificato,valutazione deirisultaH E. preparazionedelcampione,PCR,estrazionedelDNAdalmaterialeamplificato mediantePCR,ele3roforesidelDNA,valutazionedirisultaH !28 44. Per essere cerH che una pianta è geneHcamente modificata si può ricercare: (più di una rispostapuòesserecorre3a A. nel suo fenoHpo la manifestazione di un cara3ere non Hpico della specie di appartenenza B. nelsuoDNAlapresenzadelgenecherendel’organismoingradodiesprimereun cara3erenonHpicodellaspeciediappartenenza C. nelsuoDNAungenepresentenelcloroplastooungenespecie–specifico D. nelsuofenoHpolamancatamanifestazionediuncara3erefavorevoleHpicodella speciediappartenenza E. ilprodo3oderivantedall’espressionedelgeneinserito 45.Unorganismotransgenicoèunorganismo:(Indicarel’affermazionesbagliata) A. incuisonostaHintrodo5genidialtraspecie B. chehaacquisitonuovecara3erisHcheinseguitoall’inserimentodiuntransgene C. creatoinlaboratorio D. generatodallafusionedidueorganismi E. incuisonostaHintrodo5geniestranei Risposte 1.Nellamaggiorpartedegliesseriviven>,uomocompreso,lecelluledelcorpo,ossialecellulesoma8che,hanno uncorredocromosomicodoppioeperciòsonodeEecellulediploidi.Medianteilprocessodimeiosi,alcunecellule cellule,deEegerminalidannoorigineacelluleriproduOveogame8.Questecellulesichiamanospermatozooe cellula uovo, rispeOvamente nel maschio e nella femmina. Queste cellule si fondono durante il processo della fecondazioneedannoorigineallaprimacelluladelnuovoorganismo,deEazigote. 2. E 3. A.(baseazotata);B.(ribosioodesossiribosio);C.(gruppofosfato) 4. A 5. B 6. C 7. C 8. D 9. D 10.gene:unitàfunzionalediereditàchecorrispondeaunsegmentodiDNAchecodificaperunaproteinalocus: posizionefissasuuncromosomaoccupatadaundatogeneodaunsuoallele 11. A 12. E 13. A 14. 3’TAGGTAACACAGTTAA5’ 15. B 16. D 17. B 18. a-IlDNAassumecaricanegaHvaperlapresenzadigruppifosfato b-dalpolonegaHvoalpoloposiHvo 19. PolymeraseChainReacHon 20. Fase1:denaturazionedelDNA;fase2:appaiamento(annealing)deiprimer;fase3:sintesi(extension)diDNA 21. D 22. B 23. A 24. A 25. B 26. A !29 27. E 28. C 29. C 30. OrganismoGeneHcamenteModificato;Geni;resistenHaipesHcidi,oaidiserbanH 31. D 32. resistenzaaipesHcidi,resistenzaaidiserbanH,vaccini,valorenutrizionale 33. D 34.A 35.A 36.B 37.E 38.BeD 39.C 40.CeD 41.B 42.C 43.A 44.AeBeE 45.D 8.Glossario Agarosio sostanza organica estratta da alcune alghe rosse e usata come gelificante Allele una delle possibili forme alternative che un gene, localizzato in uno specifico sito cromosomico, può assumere Annealing (appaiamento) formazione di molecole ibride di acidi nucleici basata sulla complementarietà delle basi Aploide cellula o organismo con una sola copia di ciascun cromosoma dell’assetto (n) Basi azotate molecole costituenti il filamento del DNA insieme allo zucchero deossiribosio e al gruppo fosfato. Sono quattro e si classificano in basi puriniche (A e G) e pirimidiniche (T e C) Batteri Biotecnologie Campionamento microorganismi unicellulari procariotici utilizzo integrato della biochimica, della microbiologia e dell'ingegneria genetica, per produrre, a partire da organismi viventi (batteri, lieviti, cellule vegetali o animali di organismi semplici e complessi), quantità commerciali di prodotti utili, allo scopo di migliorare le caratteristiche di piante e animali, di sviluppare microrganismi utili per usi specifici o, ancora, di sviluppare nuovi strumenti terapeutici nell’uomo e nell’animale. estrarre campioni da una massa di un prodotto Cellula unità elementare di un organismo pluricellulare ed essa stessa, come unità singola, un organismo elementare Cellula germinale cellula aploide (n) deputata alla riproduzione (cellula uovo e spermatozoo). !30 Cellula somatica cellula diploide (2n) destinata alla formazione del corpo (in greco “soma”) di un organismo e contrapposta a quella della linea germinale, deputata alla riproduzione. Clonaggio ottenimento di infinite copie di un gene, mediante la sua introduzione in un vettore capace di replicare all’interno di un organismo ospite. Cloroplasto organello cellulare che si trova esclusivamente nelle cellule vegetali e in alcuni protisti, deputato alla fotosintesi Cromosoma struttura generalmente allungata, costituita da cromatina, visibile al microscopio ottico durante la divisione cellulare e contenente i geni in successione lineare. Cromosomi omologhi coppie di cromosomi di forma generalmente simile, che contengono informazioni per gli stessi caratteri. Portano gli stessi geni, non necessariamente gli stessi alleli. Si appaiano alla meiosi. Denaturazione perdita della configurazione originale di una macromolecola, dovuta ad es. all’aumento di temperatura, a cambiamenti estremi di pH, a trattamenti chimici o altro; generalmente è accompagnata da una perdita dell’attività biologica. Nel caso del DNA, la denaturazione consiste nella separazione dei due filamenti della doppia elica, per rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate Diploide cellula o organismo avente due copie di ciascun cromosoma dell’assetto (2n) DNA abbreviazione di acido deossiribonucleico, macromolecola che costituisce il materiale genetico di tutti gli organismi (ad eccezione di alcuni virus). E’ costituito da due catene polinucleotidiche avvolte a doppia elica. DNA polimerasi enzima che sintetizza DNA unendo insieme nucleotidi e usando un singolo filamento di DNA come stampo. DNA ricombinante DNA costruito artificialmente unendo insieme segmenti nucleotidici provenienti da fonti diverse. Elettroforesi tecnica che consente di separare molecole caricate elettricamente, mediante la migrazione in un campo elettrico Enzima proteina che catalizza (accelera) una specifica reazione chimica di una via metabolica in un sistema vivente. Ha azione specifica, in quanto riconosce il substrato su cui agire. Enzimi di restrizione chiamati anche endonucleasi di restrizione o “forbici” molecolari : sono enzimi che tagliano il DNA a doppia elica (e non quello a singolo filamento!) in corrispondenza di specifiche sequenze nucleotidiche, dette siti di restrizione. Fenotipo Insieme delle caratteristiche visibili in un organismo che risultano dall’interazione tra genotipo e ambiente Gemelli dizigotici gemelli derivati dalla fertilizzazione indipendente di due cellule uovo maturate contemporaneamente. La loro diversità genetica è equivalente a quella di due fratelli non gemelli Gemelli monozigotici Gene gemelli derivati da una singola cellula uovo, identici geneticamente unità funzionale di eredità che corrisponde di solito al segmento di DNA che codifica una proteina !31 Genoma patrimonio genetico di una cellula o di un organismo. Genotipo costituzione genetica di un organismo Istoni Locus (pl. loci) proteine basiche ricche in arginina e lisina che partecipano alla formazione del nucleosoma nei cromosomi eucariotici posizione fissa su un cromosoma occupata da un dato gene. Nel linguaggio comune il termine viene spesso usato come sinonimo di gene. Mutazione cambiamento del patrimonio genetico ereditabile, raro, improvviso e casuale; può verificarsi spontaneamente oppure essere indotto da agenti chimici o fisici. Nucleotide unità base del DNA e dell'RNA, formato da gruppo fosfato, zucchero e base azotata Oligonucleotide corta molecola di DNA (o RNA) a singolo filamento, costituita da poche decine di basi, ottenuta artificialmente e utilizzata in esperimenti di ibridazione molecolare e nella PCR. Organismo Geneticamente Modificato (OGM) organismo il cui materiale genetico è stato modificato introducendo nuovo DNA o modificandone il genoma PCR (polymerase chain reaction) tecnica di biologia molecolare utilizzata per amplificare in breve tempo segmenti specifici di DNA Plasmide piccola molecola di DNA extracromosomico dei procarioti che si replica autonomamente e ha la capacità di trasferirsi da una cellula all’altra previa duplicazione Polimorfismo esistenza di forme diverse. Può essere riferito a: alleli (polimorfismo allelico), proteine (polimorfismo proteico), DNA (polimorfismo del DNA). Polinucleotide molecola costituita da più nucleotidi uniti da legami fosfodiesterici Primer (innesco) oligonucleotide di DNA o RNA al quale vengono aggiunti nuovi nucleotidi nel corso della sintesi di DNA Transgene gene esogeno introdotto, con le tecniche dell'ingegneria genetica, nel genoma di un organismo in modo da fargli acquisire caratteristiche nuove Trasformazione processo attraverso il quale può essere trasferita informazione genetica da una cellula all'altra Vettore in biotecnologia, un agente capace di trasferire informazione genetica da un organismo all’altro Supervisionedi:Prof.ssaM.L.Tenchini,DiparHmentodiBiologiaeGeneHcaperleScienzeMediche,Universitàdegli StudidiMilano. Acuradi: • Prof.ssaGiovannaViale,DiparHmentodiBiologiaeGeneHcaperleScienzeMediche,UniversitàdegliStudidi Milano; • Prof.ssaFlaviaBerton,LiceoVico,Corsico • Prof.ssaSimonaCadirola,LiceoClassicoBerchet,Milano • Prof.ssaTizianaCalciolari,LiceoScienHficoEinstein,Milano • Prof.ssaM.TeresaOliveira,IPSIAFiocchi,Lecco • Prof.GiovanniPavone,IPSIAFiocchi,Lecco • Prof.ssaMarinaPorta,LiceoBanfi,Vimercate !32