Biotecnologie ed OGM

COSA SONO LE BIOTECNOLOGIE?

• Si dicono Biotecnologie i metodi tecnici che permettono lo sfruttamento di sistemi viventi al fine di produrre beni e servizi.

COSA SONO LE BIOTECNOLOGIE?

• Si dicono Biotecnologie l’utilizzazione integrata di biochimica, biologia cellulare e ingegneria genetica per realizzare applicazioni tecnologiche a partire dalle proprietà di microorganismi, di colture cellulari ed altri agenti biologici (Federazione Europea Biotecnologie).

COSA SONO GLI OGM• “organismo il cui materiale genetico è stato modificato in

modo diverso da quanto avviene in natura con l'accoppiamento e/o la ricombinazione genetica naturale" (Art. 2, Direttiva 2001/18/CE del 12/03/01)

• Quando si parla di Ogm oggi si intende di microorganismi, animali e piante che hanno un patrimonio genetico modificato in laboratorio, inserendo geni provenienti da organismi diversi, tramite le moderne tecniche del DNA ricombinante.

COSA SONO GLI OGM• Gli OGM vengono quindi oggi ottenuti attraverso l’uso di

tecniche di ingegneria genetica che permettono di inserire, all’interno del genoma di un organismo, frammenti di DNA provenienti anche da altri esseri viventi. Il DNA così ottenuto è definito DNA ricombinante.

• L’organismo Ogm che risulta da questa manipolazione non è necessariamente totalmente diverso, anzi è apparentemente identico, ma possiede una qualche caratteristica di grande utilità.

ingegneria genetica

La tecnologia del DNA ricombinante

• Nasce negli Stati Uniti nei primi anni ’70, grazie agli studi sui microorganismi, in particolare Escherichia coli.

• La maggior parte dei metodi utilizzati per studiare e manipolare il DNA utilizza i batteri, grazie alla scoperta dei Plasmidi e degli Enzimi di Restrizione, strumenti chiave della clonazione genica.

Escherichia coli

Escherichia coli

Escherichia coli

plasmide

enzimi di restrizione

Sono enzimi presenti nei procarioti che difendono il batterio dal DNA estraneo, tagliandolo in punti specifici.

plasmide

DNA ligasi

Per «tagliare e incollare» il DNA si utilizzano:

– enzimi batterici chiamati enzimi di restrizione che riconoscono brevi sequenze di nucleotidi del DNA e le tagliano in punti precisi;

– l’enzima DNA-ligasi che incolla le estremità dei filamenti di DNA catalizzando la formazione di legami covalenti.

L’enzima di restrizione riconosce la sequenza

G A A T T CC T T A A GDNA

3

C T T A AA AT TC

A AT TCG

G A AT T CC T TA A G

G A AT T CC T TA A G

L’enzima DNA-ligasi incolla i frammenti

L’enzima di restrizione taglia il DNA in frammenti

DNA ricombinante

GG

Estremità coesiva

G

1

2

4

C T T A A

Aggiunta di un frammento di DNA di provenienza estranea

Due frammenti si attaccano tra loro appaiando le basi azotate

5

Produzione di DNA ricombinante tramite l’uso di enzimi di restrizione e dell’enzima DNA-ligasi:

• Ottenuto un plasmidio ricombinante si possono ottenere copie tramite clonazione:

– I plasmidi entrano nei batteri per trasformazione.– I batteri, con i plasmidi ricombinanti, sono messi in

condizione di riprodursi, dando origine a un clone di cellule con molte copie dei plasmidi e dei geni che trasportano.

E.coli

Plasmide DNAGene V

Estremità coesive

Gene V

Batterio ricombinante

Cellula umana

Plasmide con DNA ricombinante

Clone batterico in possesso di molte copie del gene umano

Clonazione di un gene in un plasmide batterico:

Si isola il DNA da due fonti diverse1

Si tagliano entrambi i DNA con un enzima di restrizione

2

Si mescolano le molecole di DNA che si uniscono mediante appaiamento di basi azotate

3

Si aggiunge DNA-ligasi per attaccare il DNA con legami covalenti

4

Si clona il batterio6

Si inserisce il plasmide in un batterio tramite trasformazione

5

Clonazione genica:– I ricercatori possono inserire in un plasmide un

pezzo di DNA contenente un gene dando origine a DNA ricombinante.

– Il plasmide viene poi introdotto nella cellula batterica.

– Il batterio geneticamente modificato è messo in coltura e si riproduce per formare un clone di cellule (un gruppo di cellule identiche alla cellula madre da cui derivano).

– Ogni cellula possiede una copia del gene.

pcr

• Per ottenere molte copie di una specifica sequenza di DNA si utilizza comunemente la tecnica PCR

1 2 4 8

Molecola iniziale di DNA

Numero di molecole di DNA

Quando il campione di DNA è scarso o impuro, la reazione a catena della polimerasi (Polymerase Chain Reaction, o PCR) è un metodo più appropriato per ottenere un grande quantitativo di un particolare gene.

Thermus aquaticus

taq polimerasi

Sangue dell’imputato

Sangue rinvenuto sui vestiti dell’imputato Sangue

della vittima

• Un’impronta genetica (DNA fingerprint) può aiutare a risolvere in crimine:

elettroforesi

• L’elettroforesi su gel separa i frammenti di DNA in base alle loro dimensioni

+ +

Generatoreelettrico

Gel

Miscela di molecole di DNA di dimensioni diverse

Molecole più lunghe

Molecole più corte

Disposizione finale

- +

resistenza antibiotico

Coltura in Petri Dish

– La tecnologia del DNA ricombinante ha avuto un enorme impatto sull’industria alimentare e farmaceutica e sulla medicina umana.

Le sue tecniche sono ampiamente utilizzate per:– la ricerca biochimica o cellulare e lo studio e la

diagnosi delle malattie– per produrre farmaci, vaccini o enzimi

alimentari.– piante ed animali OGM.

microorganismi GM

• I batteri geneticamente modificati si sono spesso dimostrati gli organismi migliori per sintetizzare un prodotto proteico, ma si utilizzano all’occorrenza anche cellule eucariote come lieviti o colture cellulari vegetali o animali .

insulina

– L’insulina e l’ormone della crescita umani sono stati i primi prodotti farmaceutici ottenuti con l’uso della tecnologia del DNA ricombinante.

– Prima del 1982, le principali fonti di insulina erano i tessuti di suini e bovini prelevati nelle macellerie.

• Vaccini– Grazie alla tecnologia del DNA i ricercatori sono in grado si sintetizzare anche nuovi vaccini

(epatite B, influenza…).

– Un vaccino è una variante o un derivato innocuo di un agente patogeno (di solito un batterio o un virus) ed è utilizzato per prevenire una malattia infettiva.

• Ricerca Biologica, Diagnosi e cura delle malattie– In campo medico la tecnologia del DNA

ricombinante è sempre più usata per comprendere i processi biochimici e cellulari della vita. Queste nuove conoscenze permettono di diagnosticare e curare le malattie.

• Un giorno la terapia genica potrebbe fornire la cura per molte malattie

• La terapia genica può correggere le malattie imputabili a un singolo gene difettoso, sostituendolo o integrandolo con un allele normale.

Gene clonato (allele normale) 1 Inserimento del gene normale nel virus

2 Le cellule del midollo osseo vengono infettate con il virus

3 Il DNA virale si inserisce nei cromosomi

4 Le cellule vengono iniettate nel paziente

Midollo osseo

Cellule di midollo osseo del paziente

Acido nucleico virale

Retrovirus

SCID

David Vetter (1971-1984)

scid

– La terapia genica potrebbe un giorno essere usata per curare sia le malattie genetiche, sia le malattie non genetiche.

– Anche se è uno strumento molto promettente, esistono ancora poche prove scientifiche evidenti della sua efficacia.

– La terapia genica sull’uomo solleva problemi sia tecnici sia etici (bioetica).