STORIA DELLA BIOTECNOLOGIA - In senso lato le biotecnologie sono processi usati da sempre...

1. STORIA DELLA BIOTECNOLOGIA • - In senso lato le biotecnologie sono processi usati da sempre... • - Migliaia di anni fa l'essere umano iniziò ad usare, inconsapevolmente, i microrganismi per produrre cibi e bevande ed a modificare piante ed animali attraverso una graduale selezione dei caratteri desiderati. • - Già dal 6000 a.C. Sumeri e Babilonesi usavano i lieviti per produrre vino e birra. • - Nel 4000 a.C. gli stessi lieviti venivano usati dagli Egizi per produrre pane. • - Attorno al 1521 d.C. gli Aztechi usavano come alimento le alghe marine. • - In Oriente, invece, la fermentazione produceva la salsa di soia. • - Nel 1680 Antoni Van Leeuwenhoek vide per la prima volta i microrganismi, grazie al microscopio. • - Nel 1876 Pasteur (il padre della biotecnologia) riuscì ad identificare nella presenza di microrganismi estranei la causa del fallimento della fermentazione della birra. • - Nel 1896 nacque la moderna tecnologia enzimatica su base microbica. • - Nella metà degli anni '50 si è verificato un rapido sviluppo: i microrganismi vengono impiegati come fonte di enzimi. • - Tra gli anni '70 ed '80 si colloca la nascita della biotecnologia moderna. Infatti gli scienziati mettono a punto la tecnologia del DNA ricombinante con la quale riescono a modificare nel modo desiderato il patrimonio genetico degli organismi viventi, avvalendosi di strumenti totalmente diversi dalle procedure tradizionali di selezione. -

2. Con il termine"biotecnologia" si indica l'utilizzazione in modo programmato di sistemi biologici per la produzione di beni e servizi. I sistemi biologici possono essere costituitida organismi interi, singole cellule (eucariotiche o procariotiche) o loro componenti molecolari (enzimi).

3. Con il termine generico di biotecnologie possiamo indicare una scienza interdisciplinare che attinge da molti campi della ricerca (microbiologia, biochimica, biologia molecolare, biologia cellulare, immunologia, ingegneria delle proteine, enzimologia, tecnologie dei bioprocessi) e che può essere applicata in molti settori (alimentare, agricoltura, ambiente, diagnostico ed altro ancora).

4. Nella sua definizione più ampia, per biotecnologia si intende una qualsiasi tecnica che utilizza gli organismi viventi: per ottenere dei prodotti, per migliorare piante e animali per sviluppare microrganismi da usare per scopi ben precisi. In questa definizione sono incluse le tradizionali tecniche di ibridazione delle piante, la zootecnia e la fermentazione

5. Le biotecnologie sono tutte quelle tecnologie che usano organismi viventi, o parti di essi allo scopo di produrre quantità commerciali di prodotti utili all'uomo, di migliorare piante ed animali o sviluppare microrganismi utili per usi specifici Sulla base dei metodi impiegati per la realizzazione dei prodotti possiamo distinguere Le biotecnologie TRADIZIONALI INNOVATIVE

6. Le biotecnologie tradizionalisono tecnologie produttive utilizzate da millenni, quali l'agricoltura, la zootecnica e lo sfruttamento delle attività fermentative dei microrganismi.

7. BIOTECNOLOGIE NEI PROCESSI DI TRASFORMAZIONE Esistono nel mondo più di 3.500 diversi tipi di alimenti fermentati, fondamentale è stato il ruolo svolto dalla biotecnologia tradizionale nello sviluppo della fermentazione, con la quale si ottengono i cambiamenti desiderati tramite l'azione di microrganismi o enzimi. La fermentazione rende il cibo più nutriente, più saporito e più facilmente digeribile, inoltre, aiuta a conservare gli alimenti e a prolungarne la disponibilità diminuendo il bisogno di additivi. Sono biotecnologie tradizionali quelle che comprendono le metodiche per la produzione di vino, birra, formaggio, yogurt, pane ed altri generi alimentari

8. BIOTECNOLOGIE INNOVATIVEsono tecnologie in cui vengono utilizzate tecniche di manipolazione del materiale genetico (ingegneria genetica) con numerose applicazioni in campo scientifico e industriale. le biotecnologie moderne abbracciano i metodi di modificazione genetica degli organismi viventi (tecnologia del DNA ricombinante) e della fusione nucleare. Le innovazioni in questo settore possono però essere utilizzate anche ai processi tradizionali come quelli per la produzione di vino, birra, pane ed altri prodotti in cui è possibile impiegare ceppi di microrganismi geneticamente modificati.

9. Una parte importante della moderna biotecnologia consiste nel comprendere, trasferire e alterare i geni, le unità che rendono possibile l'ereditarietà di determinate caratteristiche. Il fatto che la "doppia elica" del DNA abbia una struttura identica in tutti gli esseri viventi è fondamentale per la biotecnologia. Questo permette che le informazioni che contiene possano essere trasferite tra le diverse specie di animali, piante o batteri.

11. La duplicazione del DNA è l'evento portante della duplicazione cromosomica. Essa inizia a partire da una specifica sequenza nucleotidica, detta Punto di origine della duplicazione. In tale punto sono presenti particolari enzimi endonucleari (endonucleasi), che spezzano i legami ad idrogeno tra le basi azotate complementari, aprendo così la doppia elica. I due filamenti si separano e ciascuno di essi funziona da stampo per la selezione di nucleotidi liberi e la costruzione del filamento complementare, pertanto la duplicazione del DNA è detta semiconservativa.

12. La duplicazione procede in entrambe le direzioni, per mezzo delle due forcelle di duplicazione che si spostano nei due versi opposti. L'effettiva sintesi dei nuovi filamenti, antiparalleli a quelli della molecola originaria, è catalizzata da un gruppo di enzimi noti come DNA-polimerasi. Questi lavorano in un verso soltanto, cosicchè uno dei due nuovi filamenti cresce molto rapidamente ed in maniera continua, mentre l'altro, grazie a particolari siti di innesco (RNAprimer) che inducono un'inversione del senso di marcia delle DNA-polimerasi, viene costruito in brevi segmenti consecutivi (segmenti di Okazaki) che devono poi essere saldati fra loro da un altro enzima, chiamato DNA-ligasi (COLLA GENETICA).

14. TECNOLOGIA DEL DNA RICOMBINANTE Fulcro dell'ingegneria genetica. Rappresenta l’inizio di un’era, definita, con un insieme di ammirazione e timore nei confronti delle nuove potenzialità della Biologia, “l’ottavo giorno della Creazione ”. Consiste in un complesso insieme di tecniche di manipolazione del DNA che consentono di isolare dei brevi segmenti di tale molecola, per moltiplicarli, studiarne la sequenza nucleotidica, trasferirli nel genoma di altre cellule controllandone l'incorporazione e l'espressione

17. Verso la fine degli anni Sessanta,i biologi molecolari,Werner Arber,individuarono gli enzimi di restrizione (detti anche forbici genetiche): proteine in grado di tagliare il filamento di Dna in corrispondenza di specifiche sequenze di nctidi. Oggi si conoscono centinaia di enzimi di restrizione, ognuno capace di riconoscere una sequenza particolare. Alcuni enzimidi restrizione eseguono un taglio "sfasato": in questo modo, ai due lati del frammento sporgono delle zone più o meno lunghe a singolo filamento, le cosiddette "estremità appiccicose" (sticky ends). Si possono costruire delle molecole di Dna ricombinante unendo frammenti di Dna di qualsiasi origine, a patto che presentino estremità appiccicose complementari

18. FORBICI GENETICHE E COLLA GENETICA

19. VETTORI Sistemi utilizzati per inserire un certo costrutto genico in particolari tipi di cellule, superando le barriere di specie imposte dai normali processi riproduttivi. I possibili vettori sono 4: 1. Plasmidi; 2. Virus fagi; 3. Trasposoni; 4. Agrobacterium tumefaciens

20. I Plasmidi Sono degli utili vettori in quanto si moltiplicano rapidamente e sono facilmente inglobati dai batteri attraverso la membrana cellulare. Sono però vettori affidabili solo per segmenti lunghi fino a 4000 coppie di basi azotate, infatti tollerano solo brevi sequenze di DNA estraneo, mentre i segmenti lunghi tendono ad essere eliminati col passare delle generazioni I Virus fagi Anche i virus possono fungere da vettori che spostano pezzi di DNA da una cellula ad un’altra. Infatti il DNA dei fagi temperati può integrarsi nei siti specifici del cromosoma ospite e duplicarsi con il cromosoma stesso. I virus utilizzati sono modificati in modo tale da non essere più patogeni, ma da poter ancora trasmettere informazione genetica .

21. PLASMIDE RICOMBINANTE

22. VIRUS FAGI

23. I Trasposoni Tutte le cellule eucarioti hanno segmenti di DNA mobili, chiamati TRASPOSONI, in grado di passare da un sito ad un altro all'interno di un cromosoma. Agrobacterium tumefaciens E’ l’agente di una malattia delle piante nota come “tumore del colletto“, fa ingegneria per conto proprio usando la strategia di insinuare alcuni suoi geni plasmidiali nel corredo cromosomico dei tessuti infettati. Per questo motivo l’Agrobacterium si è rivelato lo strumento ideale per trasmettere vari geni esogeni alle piante transgeniche Dicotiledoni.

25. La tecnologia del Dna ricombinante è uno strumento potente di analisi della struttura e della regolazione dei geni. Inoltre, permette di aggirare gli ostacoli che si frappongono alla totale libertà di scambio e mescolamento dei geni, permettendo la combinazione di geni provenienti da specie molto distanti tra loro.In modo molto schematico, per isolare e clonare un gene di interesse è necessario tagliare il cromosoma in frammenti utilizzando un adatto enzima di restrizione con taglio "sfasato". I frammenti ottenuti vengono mescolati con il Dna di un plasmide vettore che presenti le stesse "estremità appiccicose". Si ottengono così tanti piccoli anelli di Dna formati dal frammento con il gene di interesse e il plasmide legati insieme dalla Dna ligasi, l'enzima capace di "legare" fra loro frammenti di Dna.La molecola di Dna ricombinante così ottenuta viene introdotta all'interno di un batterio ospite, il quale moltiplicandosi produce grandi quantità del prodotto codificato dal gene inserito.

26. 1.Il DNA viene tagliato tramite specifici enzimi di restrizione 2.Il plasmidio viene tagliato con gli stessi enzimi 3.Il plasmide viene aperto 4.Il DNA, portatore del gene isolato, viene incollato al plasmidio tramite un specifico enzima detto DNA ligasi 5.Si forma un plasmidio transgenico con la resistenza all'antibiotico datagli dal gene estraneo

27. Oltre al trasferimento di geni tra le specie è anche possibile "eliminare" caratteristiche non volute come la produzione di determinate proteine (tecnologia antisenso). Questa tecnica é stata utilizzata per eliminare il gene che faceva ammorbidire il pomodoro creando un prodotto con migliori qualità di conservazione.

28. Le tecniche di ingegneria genetica hanno cambiato il procedimento di ibridazione vegetale. La tradizionale ibridazione vegetale mira a unire le caratteristiche migliori di due piante diverse. Per esempio il pomodoro del tipo X garantisce una ottima resa, ma è soggetto a malattie; mentre la varietà Y è resistente alle malattie, ma non offre una buona resa. Unire le due qualità - alta resa e resistenza alle malattie - in una nuova varietà potrebbe essere un processo della durata di molti anni. La tecnologia genetica oggi possiede la capacità di identificare il gene che determina la resistenza alle malattie del pomodoro della varietà Y e di trasferirlo direttamente alla varietà X senza dover utilizzare programmi di ibridazione vegetale che richiedono lunghi tempi di realizzazione.

29. Oltre ad accelerare i programmi di ibridazione e a migliorare le probabilità di successo, la tecnologia genetica é in grado di combinare materiale genetico in modi che in natura non sarebbero spontaneamente possibili. Per esempio copie di geni animali possono essere introdotti nelle piante e copie di geni vegetali possono essere inseriti nei batteri. E' proprio questa potenzialità a sollevare quelle preoccupazioni in merito all'etica e alla sicurezza,

30. I metodi utilizzati per manipolare geneticamente le piante sono due: AGROBACTERIUM eBOMBARDAMENTO

31. L'uso della moderna biotecnologia per trasferire geni da una specie vegetale ad un'altra fa crescere la possibilità che sostanze potenzialmente allergeniche possano essere trasferite da una coltura ad un'altra. In piante di cui si conoscono gli effetti allergici viene prestata molta attenzione a non trasferire i geni codificanti per gli allergeni in altre piante. Nel caso in cui dovesse verificarsi la necessità di trasferire dei geni conosciuti come allergeni da una pianta all'altra, è indispensabile informare correttamente per mettere in guardia il consumatore

32. Settori principali nella biotecnologia vegetale • Genetica e ibridazione: • Ricerca del genoma. • Marcatori genetici nell'ibridazione • Sviluppo delle piante: • Struttura (altezza, ramificazione, foglie, radici) • Fiori (struttura, colore, epoca di fioritura) • Produzione di ibridi (auto-incompatibilità, sterilità) • Alterare resa e input: • Resistenza agli erbicidi da parte di coltivazioni alimentari • Resistenza agli insetti da parte di coltivazioni alimentari • Resistenza a malattie batteriche da fungo e virali.

33. Prodotti e applicazioni: Zucchero. Amido (diverse composizioni o contenuto più elevato) Oli (Diverse composizioni o contenuti più elevati). Aromi (nei cibi o come estratti). Composti organici speciali (colori). Proteine di deposito. Frutta (maturazione e qualità). Ambiente: Tolleranza al calore, alla salinità ed alla siccità. Tolleranza alle inondazioni. Adattamento al freddo (per ampliare i limiti di coltivazione). Resistenza al gelo.

34. Migliori materie prime... • Cercando di migliorare le materie prime alimentari, molti programmi di selezione vegetale mirano ad incrementare la resa o a creare una tecnica agricola più compatibile con l'ambiente aumentando la resistenza delle colture a virus, pesticidi o erbicidi. • Si potrebbe diminuire l'utilizzo di pesticidi su piante resistenti agli attacchi di insetti nocivi e alle malattie; sono già state create colture resistenti quali mais, pomodori e patate. Sono state create anche colture che tollerano erbicidi più moderni compatibili con l'ambiente con lo scopo di ottenere un controllo ottimale sulle erbacce riducendo i livelli di erbicidi. • Si è manifestato recentemente un crescente interesse nella volontà di voler migliorare il valore nutrizionale, il sapore e la consistenza delle materie prime.

35. Si stanno sviluppando una serie di piante coltivabili con: Aumento del valore nutritivo. Le piante in fase di sviluppo includono: la soia con un contenuto più elevato di proteine; patate con un quantitativo di amido disponibile più elevato e con un migliore contenuto di aminoacidi; piante leguminose come i fagioli che vengono modificate per produrre gli aminoacidi essenziali; piante che producono beta carotene, un precursore della vitamina A; piante coltivabili con un profilo di acidi grassi modificato.

36. Sapore migliore. Sono attualmente in prova vari tipi di peperoni e meloni con un sapore migliore. Il sapore può essere migliorato aumentando l'attività degli enzimi che trasformano i precursori del sapore in composti aromatizzanti. Migliori caratteristiche di mantenimento Per rendere più facile il trasporto di prodotti freschi, prevenendo la possibilità che marciscano ed i danni o la perdita di elementi nutritivi.

37. Con l'introduzione nelle cellule vegetali di caratteri controllati da geni singoli si può ottenere un miglioramento della resistenza a specifici erbicidi, un miglioramento della resistenza agli insetti nocivi e alle malattie causate da agenti microbici o ancora un miglioramento delle caratteristiche post-raccolto. Ancora non sappiamo cosa ci riserva il futuro, nessuno può assicurarci sugli effetti a lungo termine che l'applicazione di queste nuove tecniche potrebbe causare. Con l'applicazione dell'ingegneria genetica si è trovato un mezzo meno costoso per controllare le specie infestanti, riducendo l'uso di prodotti chimici

38. Grazie all'applicazione delle biotecnologie si esercita il cosiddetto "controllo biologico", con l'utilizzo sul campo di particolari microrganismi al fine specifico di controllare la diffusione di agenti infettivi e di parassiti. Il più famoso agente di controllo biologico è il Bacillus thuringiensis, un batterio che forma cristalli di una proteina molto tossica per gli insetti altamente specifica. Questa tossina è largamente usata da oltre trenta anni per controllare le manifestazioni di lepidotteri(bruchi). Negli ultimi anni, vengono isolati e sequenziali i geni che codificano per la tossina di Bacillus thuringiensis, quindi, mediante le tecniche del Dna ricombinante, i geni del Bt sono stati inseriti in varie specie di piante, dove trovano espressione a livello dei tessuti.

39. Rispetto agli insetticidi tradizionali questa tecnica presenta numerosi vantaggi: non c'è più il rischio del dilavamento dell'insetticida dovuto alla pioggia; vengono distrutti solo gli insetti che attaccano la pianta e questa è protetta fino alle radici. Le diverse tossine provenienti dal B. thuringiensis non sarebbero tossiche per i mammiferi e tuttavia impediscono agli insetti di alimentarsi e riprodursi.

40. Un'altra applicazione della biotecnologia é il miglioramento della produzione degli alimenti. Viene utilizzata per sviluppare processi altamente specifici utilizzando microrganismi modificati e prodotti enzimatici più economici e puri che offrono, rispetto ai procedimenti già esistenti, una maggiore produttività, economicità ed efficienza.

41. Settori in cui sono stati compiuti evidenti progressi nella lavorazione degli alimenti: Produzione del pane. Sono stati sviluppati ceppi perfezionati di lievito che contengono i geni di altri enzimi, quali l'amilasi, che forniscono un impasto più ricco. Produzione di succhi di frutta. La resa del succo ottenuto dalle mele può essere migliorata grazie all'aggiunta dell'enzima pectinasi. Questo enzima viene prodotto naturalmente da un ceppo di muffa Aspergillus. La velocità con la quale vengono prodotti gli enzimi può essere aumentata trasferendo il gene della pectinasi da un ceppo di muffa ad un secondo ceppo con una più elevata capacità di produzione enzimatica. Migliore gestione della qualità e della sicurezza alimentare, attraverso una maggiore comprensione dei microrganismi e degli enzimi coinvolti nella produzione alimentare.

42. Organizzazioni internazionali indipendenti come l'OCSE (Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico), l'OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità delle Nazioni Unite) e la FAO (Organizzazione per l'Alimentazione e l'Agricoltura) hanno elaborato delle linee guida proprio per garantire la sicurezza della biotecnologia applicata alla produzione alimentare. Il concetto di sicurezza alimentare significa assenza di qualsiasi pericolo per il consumatore che conservi, prepari e mangi un alimento nel modo corretto.

43. Per accertare se un nuovo cibo è sostanzialmente equivalente a quello tradizionale, vengono presi in considerazione tre fattori principali: Quali sono le caratteristiche e la composizione del prodotto tradizionale? Quali caratteristiche sono state alterate per produrre il nuovo cibo e, di conseguenza, come è cambiata la sua composizione? Tutto questo viene controllato verificando:- le caratteristiche del prodotto tradizionale- il metodo usato per ottenere le variazioni del nuovo prodotto- i possibili effetti collaterali dovuti a tali modifiche- le caratteristiche della parte modificata del nuovo alimento

44. SICUREZZA Gli aspetti relativi alla sicurezza delle biotecnologie che suscitano maggior preoccupazione sono i seguenti:- la patogenicità, ovvero la potenziale capacità di organismi viventi e di virus (sia le forme naturali che quelle modificate con l'ingegneria genetica) di infettare l'uomo, gli animali e le piante, causando malattie;- la tossicità(per es. nel caffè transgenico è stata riscontrata la produzione di una aflatossina) e il potenziale allergenico (per es. in una varietà ingegnerizzata di soia, è stata riscontrata una proteina allergenica derivante dalla noce brasiliana) dei prodotti ottenuti mediante biotecnologie;- l'ampliamento,dal punto di vista clinico, del pool ambientale di microrganismi resistenti agli antibiotici;- i problemi associati allo smaltimentodelle biomasse microbiche esaurite e la purificazione degli effluenti di lavorazioni biotecnologiche;- i problemi di sicurezza connessi con la contaminazione, l'infezione o la mutazione dei ceppi impiegati nei processi biotecnologici;- i problemi di sicurezza connessi con l'uso industriale di microrganismiche contegono DNA ricombinato in vitro

45. La valutazione del rischio viene stabilita in base a tre fattori: - individuazione delle eventuali capacità del microrganismo di produrre effetti dannosi per l'uomo o per l'ambiente; - la stima della probabilità che i microrganismi fuoriescano accidentalmente o inavvertitamente dal sistema in cui avviene il processo produttivo; - valutazione della sicurezza dei prodotti desiderati e dei metodi per smaltire i sottoprodotti

46. GRUPPI DI RISCHIOGruppo 1:Microrganismi mai identificati come agenti patogeni e che non rappresentano una minaccia per l'ambiente.Gruppo 2:Microrganismi potenzialmente patogeni per l'uomo e che potrebbero rappresentare un rischio per chi opera nei laboratori. Gruppo 3:Microrganismi che possono rappresentare una seria minaccia per la salute di chi opera nei laboratori, ma un rischio relativamente basso per la popolazione in generale. Gruppo 4:Microrganismi che provocano malattie gravi negli esseri umani e che rappresentano un serio rischio per gli operatori in laboratorio e per la popolazione in generale. Non sono disponibili misure preventive adeguate né trattamenti efficaci.Gruppo 5:Questo gruppo comprende i microrganismi che rappresentano un pericolo più serio per l'ambiente e per la popolazione. Possono causare gravi perdite umane a livello nazionale e internazionale

47. OGM

48. GliOrganismi Geneticamente Modificati sono batteri, funghi, virus, piante e animali le cui caratteristiche genetiche sono state modificate in laboratorio. In genere uno o più geni presi da altri organismi vengono introdotti nel patrimonio ereditario dell’organismo che si vuole modificare. Non solo l’OGM esprimerà i nuovi caratteri, ma li trasmetterà alla sua discendenza. Gli scambi di geni possono avvenire tra esseri viventi appartenenti a specie completamente diverse (per esempio tra esseri umani e animali), cosa impossibile in natura

49. Le applicazioni degli OGM investono gli ambiti più disparati; la medicina, l'ecologia, il settore agro-alimentare e zoo-tecnico. Nell'agricoltura, in particolare, si ha avuto una loro rapida diffusione. Infatti, al giorno d'oggi, il 60% dei prodotti venduti nei supermercati del mondo può contenere elementi di origine transgenica. Meno conosciuto , ma molto importante dal punto di vista medico, è il loro utilizzo in campo farmaceutico, dove hanno consentito la produzione di vaccini sicuri.

50. Mentre i nuovi farmaci ottenuti da OGM sono stati accolti con immediato favore dall'opinione pubblica, i prodotti transgenici destinati all'alimentazione umana incontrano forti resistenze per paura degli eventuali effetti nocivi; l'ingegneria genetica viene vista come un processo "innaturale" e non necessario nel caso della produzione alimentare.