Le biotecnologie, approfondimento, Guide, Progetti e Ricerche di Scienze della Terra

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LE BIOTECNOLOGIE:  Le biotecnologie sono applicazioni tecnologiche che utilizzano organismi viventi o loro derivati per realizzare prodotti e processi per usi specifici (modificano il genotipo per ottenere un nuovo fenotipo);  Le applicazioni biotecnologiche sono tre: o Green Biotech (biotecnologie ambientali) – monitoraggio ambientale, resa delle colture, prevenzione degli inquinamenti e biorisanamento; o White Biotech (biotecnologie chimico-farmaceutiche) – antibiotici, proteine e Green chemistry; o Red Biotech (biotecnologie biomediche) – diagnosi, terapie e vaccini.  Tra le biotecnologie tradizionali troviamo la fermentazione (panificazione e produzione della birra) operata da lieviti e la domesticazione delle piante e degli animali, una forma di biotecnologia che nel corso dei millenni ha modificato la struttura genetica degli organismi attraverso gli incroci tra specie diverse;  Le biotecnologie moderne offrono numerosi vantaggi: o sono più efficaci perché consentono di trasferire solo i geni desiderati; o sono più versatili perché i geni trasferiti possono provenire da specie distanti dal punto di vista evolutivo; o sono più mirate perché consentono di ottenere le caratteristiche genetiche desiderate anche con una minima alterazione genetica. - IL CLONAGGIO GENICO:  Con il clonaggio genico è possibile generare diversi cloni di cellule batteriche, ciascuno dei quali contiene milioni di copie del gene di interesse; 1. Il gene di interesse viene separato dagli altri geni presenti nell’organismo di partenza; Per fare questo viene sfruttata l’azione delle endonucleasi di restrizione (classe enzimatica), che idrolizzano il legame fosfodiesterico tra due nucleotidi adiacenti all’interno di una doppia elica di DNA; Questi enzimi sono ideali per il clonaggio perché agiscono in corrispondenza di una specifica sequenza bersaglio; Uno degli enzimi più utilizzati è EcoRI – il nome identifica il batterio di origine, in questo caso Escherichia coli; Questi enzimi endonucleasi producono delle estremità coesive (sticky ends) che sono molto utili per il clonaggio; I frammenti che si ottengono da questa restrizione sono poi separati e visualizzati attraverso l’elettroforesi su gel. 2. Il frammento di DNA da clonare viene inserito nel vettore di clonaggio (molecola di DNA plasmidico modificata) tagliato dallo stesso enzima di restrizione (per esempio EcoRI); In questo modo, le estremità coesive presenti sul frammento possono unirsi spontaneamente alle estremità complementari del vettore formando legami a idrogeno; La DNA ligasi (essenziale per le reazioni di replicazione e riparazione del DNA) unisce definitivamente il gene al vettore ricostruendo il legame fosfodiesterico tra due nucleotidi adiacenti con l’aiuto dell’ATP (o il NAD) come cofattore. In questo modo, le due molecole di DNA si uniscono covalentemente e in modo stabile; Il risultato di questo processo è un DNA ricombinante o plasmide ricombinante (molecola di DNA costituita da porzioni provenienti da individui diversi). 3. Il DNA ricombinante può essere inserito all’interno di una cellula ospite, di solito un batterio, attraverso la trasformazione batterica, che sfrutta la capacità dei batteri di inglobare frammenti di DNA se correttamente stimolati (calore o campi elettrici); Nel caso delle cellule animali, il DNA può essere iniettato al loro interno attraverso una microiniezione; Un’altra tecnica, chiamata biolistica o gene gun, permette di sparare il DNA nelle cellule attraverso microproiettili di materiali inerti come l’oro o il tungsteno (metodo utilizzato con le cellule vegetali). 4. Le cellule batteriche trasformate vengono deposte su piastre di terreno agar in modo tale che i batteri possano formare colonie distanziate; Le cellule batteriche che hanno inglobato il plasmide (trasformate con il DNA ricombinante) vengono isolate da quelle che non lo hanno ricevuto grazie alla presenza, all’interno del vettore, di un marcatore di selezione (solitamente un gene che conferisce resistenza a un antibiotico); La presenza dell’antibiotico nel terreno permette la sopravvivenza soltanto dei batteri che contengono il plasmide ricombinante. 5. All’interno della cellula trasformata, il vettore può replicarsi grazie alla presenza del sito di origine della replicazione del plasmide. In questo modo si formano molte copie del vettore e del gene che abbiamo inserito, che può essere così isolato e studiato.  Quando il batterio si divide, le copie del vettore si ripartiscono tra le cellule figlie e da ogni cellula si genera un clone (colonia di cellule identiche). - I VETTORI PLASMIDICI:  I vettori plasmidici (elementi genetici di DNA circolari ed extracromosomici) sono ottenuti da plasmidi batterici naturali tramite manipolazioni genetiche;  Questi vettori contengono: o un’origine di replicazione; o geni per la resistenza ad antibiotici (agiscono come marcatori per selezionare le cellule che hanno incorporato il vettore); o un sito multiplo di clonaggio o polilinker (contiene sequenze di riconoscimento per gli enzimi di restrizione).  GLI ANIMALI TRANSGENICI: o Le biotecnologie permettono di generare animali transgenici (il topo è un animale modello perché condivide con gli esseri umani il 97,5% dei geni). Questi animali sono utili per lo studio di malattie umane; o Agendo sulle cellule embrionali, è possibile inserire nel topo il gene di una malattia e studiarne gli effetti; in alternativa, si possono generare topi privi di un gene (topi knock-out).  LA TERAPIA GENICA: o La terapia genica permette anche di sostituire un gene non funzionale con la sua copia corretta (molte patologie sono causate da proteine che non funzionano correttamente); o Per esempio, il deficit dell’enzima ADA dovuto a un difetto genetico, causa una forma di deficienza immunitaria. I. Da una paziente sono estratte le cellule del midollo osseo, che presentano la copia non funzionante del gene per l’enzima ADA; II. Un retrovirus è ingegnerizzato attraverso l’inserzione della copia funzionante del gene ADA; III. Il vettore retrovirale infetta le cellule midollari inserendo al loro interno la copia funzionante del gene ADA; IV. Le cellule che hanno acquisito il gene funzionante sono reinfuse nel paziente. o Queste tecniche sono molto promettenti ma sono ancora in fase sperimentale.  LE TERAPIE CON LE CELLULE STAMINALI: o Nelle prime fasi dello sviluppo l’embrione è formato da cellule staminali (cellule non differenziate). Le cellule staminali si distinguono in base alla capacità di creare diversi tipi di tessuti e cellule di un organismo;  Le cellule totipotenti sono in grado di generare tutti i tipi cellulari (per esempio lo zigote e le cellule embrionali);  Le cellule pluripotenti possono differenziarsi in uno dei tre foglietti embrionali – mesoderma, ectoderma ed endoderma – e sono le cellule dell’embrione nella fase di blastocisti;  Le cellule staminali multipotenti generano un limitato numero di tipi cellulari (per esempio le cellule staminali ematopoietiche che producono tutte le cellule del sangue). o Queste cellule si trovano solo negli organismi adulti; o Oggi è possibile isolare le cellule embrionali pluripotenti e quelle multipotenti adulte dette staminali somatiche e mantenerle in laboratorio, consentendo di avere a disposizione una riserva per differenziare anche interi organi; o Tuttavia esistono alcuni ostacoli:  Le cellule staminali embrionali possono essere prodotte solo generando in vitro embrioni umani (problema etico);  Le cellule staminali adulte sono molto rare e il loro potenziale di differenziamento è inferiore. o Per ovviare a questi problemi è stato ideato un metodo per generare in laboratorio un quarto tipo di cellule staminali, dette staminali pluripotenti indotte (iPSC), ottenute dalla riprogrammazione di cellule adulte già differenziate, come i fibroplasti, in iPSC; o Partendo da una cellula qualsiasi del paziente, per esempio un fibroplasto, si potrebbe renderla pluripotente (da multipotente), correggerne il difetto genico e farla differenziare nel tipo cellulare desiderato; o Questa tecnica non si basa su embrioni e può essere applicata a qualsiasi cellula adulta. - GREEN BIOTECH:  LA PRODUZIONE DI PIANTE TRANSGENICHE: o Grazie alle biotecnologie è possibile ingegnerizzare piante per dotarle di nuove caratteristiche (resistenza ai parassiti); o Il batterio Bacillus thuringiensis, che vive nel suolo, possiede un gene (chiamato cry) che codifica una proteina tossica per molti insetti parassiti (ne colpisce il sistema intestinale) ma non per quelli benefici, come le api; o Il gene cry è stato inserito in molte piante – mais, cotone e riso. Le piante transgeniche che esprimono questo gene, dette piante Bt, sono naturalmente resistenti a molti parassiti; o Il vantaggio della coltivazione di piante Bt è che non è più necessario l’utilizzo di pesticidi chimici; o Nei vegetali si possono introdurre anche geni che aumentano la resistenza a stress ambientali – freddo, siccità o elevate concentrazioni saline; o Un’altra applicazione delle biotecnologie in agricoltura è la generazione di piante arricchite di nutrienti; o Per esempio, il Golden Rice è arricchito di vitamina A, la cui carenza può portare alla cecità infantile (problema diffuso in Asia);  Due geni sono estratti dalla pianta del narciso e uno dal batterio Erwinia uredovora ;  I geni e i loro promotori sono inseriti in plasmidi che poi vengono incorporati da Agrobacterium tumefaciens;  Agrobacterium tumefaciens è messo in coltura con degli embrioni di riso, nei quali trasferisce i geni di interesse;  L’embrione si sviluppa e forma i semi, che sono seminati per dare colture transgeniche ricche di β-carotene, un precursore della vitamina A.  LA PRODUZIONE DI BIOCOMBUSTIBILI: o Un’alternativa rinnovabile ai combustibili fossili è rappresentata dai biocombustibili come il bioetanolo o il biodiesel, sintetizzati per fermentazione a partire da masse vegetali; o Queste masse vegetali di scarto sono ricche di carboidrati sotto forma di molecole complesse a struttura fibrosa come la lignina, l’emicellulosa e la cellulosa; o Per rendere sfruttabili questi scarti sono stati generati microrganismi OGM in grado di digerirne le molecole e liberare gli zuccheri di cui sono composti, favorendo la degradazione della cellulosa e la sintesi di acidi grassi, utili per la produzione di biodiesel.  LE TECNOLOGIE PER L’AMBIENTE, IL BIORISANAMENTO: o I metalli pesanti (come il mercurio il piombo) sono molto difficili da eliminare; o In batteri del genere Escherichia coli sono stati inseriti i geni MerT e MerP provenienti da un trasposone batterico; questi geni codificano per un sistema di trasporto del mercurio attraverso la membrana della cellula batterica. Inoltre è stato aggiunto il gene per la metallotionina (proteina che lega il mercurio intrappolandolo); o I batteri ingegnerizzati in questo modo possono essere impiegati per creare dei biofiltri in grado di assorbire il mercurio presente nelle acque; o Oltre ai biofiltri, è possibile generare biosensori in grado di rilevare la presenza di sostante inquinanti nell’acqua o nel suolo. I batteri dei biosensori sono stati ingegnerizzati con il gene per la proteina fluorescente verde GFP delle meduse, che rende il batterio bioluminescente quando viene a contatto con sostanze inquinanti.