Biotecnologie per i bisogni della società da Zanichelli

Lezione 5
Biotecnologie
per i bisogni
della società
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© Zanichelli editore, 2014
Biotecnologie nei processi produttivi
Le biotecnologie offrono l’opportunità di rispondere alle
esigenze della società.
Nei processi produttivi:
• migliore rendimento;
• minore impatto ambientale;
• riduzione dei costi;
• accessibilità a nuovi prodotti non ottenibili in modi diversi.
Nei bisogni:
• nuove fonti di cibo, anche ad arricchito valore nutrizionale;
• nuove fonti di energia a basso inquinamento;
• nuove applicazioni (ad es. in ambito forense).
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Biotecnologie e agricoltura
Le biotecnologie in agricoltura vengono utilizzate per il
miglioramente genetico delle specie di interesse
economico.
Le finalità possono essere:
• generare nuove varietà non ottenibili con gli incroci
tradizionali;
• correggere difetti nelle varietà agricole esistenti.
Le specie più comunemente utilizzate sono: mais, orzo,
riso, frumento, cotone, soia, patata, pomodoro, girasole,
barbabietola.
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Applicazioni delle varietà transgeniche
Le principali applicazioni delle piante transgeniche sono:
• migliorare i processi di maturazione;
• resistenza agli erbicidi;
• resistenza agli stress (freddo, salinità, siccità);
• resistenza ai patogeni (virus, funghi, batteri, insetti);
• modificare il contenuto nutrizionale (carboidrati,
proteine);
• produzione di proteine esogene ricombinanti (enzimi,
anticorpi, antigeni per vaccini).
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Manipolazione genetica di piante
In campo agricolo, la maggior parte delle
trasformazioni sono di tipo knock in, ovvero prevedono
l’introduzione di geni esogeni attraverso le seguenti
fasi:
1. clonaggio del gene di interesse;
2. inserimento del gene in un opportuno vettore;
3. introduzione del gene nel genoma della pianta
ricevente;
4. selezione delle piante trasformate e verifica
dell’espressione del gene e del fenotipo.
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Agrobacterium tumefaciens
Uno dei metodi più utilizzati per inserire geni esogeni in
piante sfrutta il plasmide Ti del batterio Agrobacterium
tumefaciens, un batterio che infetta le piante causando
un’escrescenza tumorale detta galla del colletto.
Una pianta infettata dal batterio
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Trasformazione con A. tumefaciens (I)
Il plasmide Ti contiene:
• un segmento di DNA
(T-DNA) che viene trasferito
nelle cellule vegetali dal
batterio e codifica per
oncogeni che ne causano la
crescita incontrollata;
• la regione Vir che codifica
per i fattori di virulenza;
• sequenze specifiche per la
replicazione.
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Trasformazione con A. tumefaciens (II)
I vettori basati sul plasmide Ti mancano dei geni
per la crescita tumorale, ma mantengono quelli
della regione Vir.
1. Una volta clonato il gene di interesse nel vettore Ti,
questo viene inserito in A.tumefaciens;
2. Il batterio con il plasmide ricombinante viene usato
per infettare la pianta ospite (solitamente partendo
da un’incisione praticata nel tessuto vegetale);
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Trasformazione con A. tumefaciens
(III)
3. A seguito dell’infezione, il T-DNA in cui è inserito il gene
esogeno è trasferito al genoma delle cellule vegetali;
4. Il tessuto infetto viene espiantato e coltivato in vitro per
rigenerare una piantina che esprimerà il transgene.
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Trasformazione biobalistica
Non tutte le piante sono
infettabili da A.tumefaciens. In
alternativa si può utilizzare il
metodo biobalistico.
Si tratta di un apparecchio
detto cannone genico (gene
gun) che genera un flusso ad
elevata velocità di
microparticelle in grado di
penetrare nei tessuti vegetali.
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Gene gun
• Nel gene gun sono caricate microsfere di oro o
tungsteno (1-4 µm di diametro) che possono essere
coniugate al DNA da trasferire.
• Un getto di aria compressa o l’esplosione di polvere da
sparo proietta le microsfere all’interno dei tessuti vegetali
(calli, embrioni, meristemi).
• Il DNA “sparato” viene integrato casualmente nel
genoma della cellula vegetale.
• I tessuti trasformati vengono coltivati in vitro per
ottenere le piantine transgeniche.
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Esempi di piante OGM (I)
Resistenza agli erbicidi: mais,
cotone, soia, trasformati con i
geni batterici Bar di
Streptomyces e Bxn di Klebsiella,
che codificano enzimi
degradativi.
Resistenza a stress: mais
trasformato con il gene della
MAP chinasi della pianta
Arabidopsis che conferisce
resistenza a freddo, caldo e
salinità.
Il gene Bxn del batterio
Klebsiella pneumoniae permette
alle colture transgeniche che lo
esprimono di resistere
all’irrorazione di Bromoxynil, un
potente erbicida.
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Esempi di piante OGM (II)
Resistenza ai patogeni:
tabacco, zucchine, melone
trasformati con la proteina del
rivestimento (CP) del virus del
mosaico del tabacco (TMV).
Questa proteina induce una
risposta protettiva al TMV nella
pianta (un meccanismo analogo
alla vaccinazione negli animali);
cotone e mais trasformati con il
gene della tossina Bt del
Bacillus thuringiensis che
conferisce resistenza a molti
insetti parassiti.
La piralide del mais può
danneggiare gravemente i
raccolti senza difese
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Il mais Bt
Il mais Bt esprime la tossina del B.
thuringensis, che è letale per gli
insetti ma totalmente innocua per
l’uomo e presenta numerosi vantaggi:
• Vantaggi sanitari: il mais GM del
tipo Bt accumula un minor numero
di tossine di origine fungina,
le fumolisine.
• Vantaggi ambientali: necessita
di un uso molto inferiore di insetticidi.
• Vantaggi economici: ha una resa
per ettaro di circa il 20% superiore
rispetto al mais tradizionale.
Cristalli della tossina Bt al
microscopio
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Il Golden Rice
Il Golden Rice è una varietà di riso
geneticamente modificato per
esprimere 4 geni batterici per la
sintesi di beta-carotene, un
precursore della vitamina A.
I chicchi di questi riso arricchiti di
beta-carotene (che conferisce la
colorazione giallo-oro da cui il
nome) possono essere utilizzati per
l’alimentazione in aree povere del
mondo dove la carenza di
vitamina A nei bambini e nelle
donne gravide causa 800 000 morti
all’anno.
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A sinistra riso normale, a destra il
Golden Rice
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Diffusione delle piante GM
La coltivazione di OGM è diffusa in tutto il mondo. I principali
produttori sono:
• USA: 69 milioni di ettari (mais, soia, cotone, barbabietola);
• Brasile: 30 milioni di ettari (mais, soia, cotone);
• Argentina: 23 milioni di ettari (mais, soia, cotone);
• India: 10 milioni di ettari (cotone);
• Canada: 10 milioni di ettari (mais).
Superficie coltivata con
piante transgeniche nel
mondo
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Problematiche delle coltivazioni OGM
• Possibili rischi di incrocio con varietà naturali in campo;
• possibili fenomeni allergici alle proteine esogene nei
consumatori;
• rischio di monopolio da parte di pochi grandi produttori di
sementi OGM;
• normativa non omogenea nei vari Paesi sulla
brevettazione di tecniche, geni, varietà OGM.
Ad oggi non sono emersi rischi per la salute alla luce
delle risultanze scientifiche, ma l’attenzione deve rimanere.
Esistono organi di controllo nazionali e internazionali
che vigilano sulla produzione di piante OGM.
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Biotecnologie e ambiente
Le biotecnologie permettono di sviluppare processi
produttivi maggiormente eco-compatibili e di rispondere
ad esigenze di tutela dell’ambiente.
In particolare queste applicazioni si riferiscono a:
• produzione di energia da biomasse;
• biodegradazione di inquinanti.
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Energia dalle biomasse
I biocarburanti sono combustibili derivati non dalle fonti
fossili (carbone, petrolio), ma da biomasse vegetali.
I vantaggi sono:
• la rinnovabilità della fonte (non si esauriscono come i
giacimenti di combustibili fossili);
• il bilancio neutro della CO2 (quella rilasciata dalla
combustione è pari a quella sottratta durante la crescita
della pianta);
• la biocompatibilità (i biocarburanti sono totalmente
biodegradabili).
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I biocarburanti
I biocarburanti principali sono :
• il bioetanolo prodotto dalla fermentazione di varietà
ricche di carboidrati (canna da zucchero, mais, frumento,
orzo);
• Il biodiesel prodotto da piante oleose (soia, palma, colza);
• Il biometano prodotto dalla fermentazione anaerobica di
materiale organico;
• Il bioidrogeno prodotto dalla fissazione di azoto o
fotosintesi da parte di alghe e batteri.
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Biotecnologie e biocarburanti
Le biotecnologie possono migliorare la produzione di
biocarburanti.
A livello delle piante:
• aumentando il contenuto di carboidrati o di oli attraverso
la modificazione dei geni del metabolismo;
• aumentando l’efficienza di crescita mediante la
generazione di varietà più resistenti o migliorando la
fotosintesi e l’utilizzazione dell’azoto.
A livello dei microrganismi
• generando OGM in grado di digerire la cellulosa o di
effettuare una più efficiente fermentazione anaerobica,
fotosintesi o fissazione dell’azoto.
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Biorisanamento
Per biorisanamento si intende la rimozione tramite
l’utilizzo di microrganismi geneticamente modificati, di
inquinanti ambientali difficilmente eliminabili con tecniche
chimico-fisiche.
Gli inquinanti oggetto di maggiore attenzione sono:
• metalli (mercurio, cromo, piombo, arsenico);
• idrocarburi e composti organici di origine industriale.
Lo scopo del biorisanamento è rendere questi inquinanti
biodegradabili da parte di microrganismi modificati.
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Biorisanamento da metalli (I)
Il mercurio (Hg) è uno degli
inquinanti più diffusi e pericolosi,
soprattutto nelle acque.
Batteri E.coli sono stati ingegnerizzati
per esprimere i geni batterici MerT e
MerP (sistema di trasporto del Hg) e il
gene MT di lievito (metallotionina,
proteina in grado di chelare il Hg).
Questi batteri adsorbono
efficacemente il Hg dall’ambiente
(importandolo grazie ai geni MerTP) e
e lo accumulano (grazie alla proteina
MT).
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Biorisanamento da metalli
Questi batteri possono essere usati per costruire biofiltri
per la rimozione di Hg dalle acque contaminate.
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Biotecnologie forensi
Le biotecnologie hanno
rivoluzionato anche
l’investigazione scientifica:
• offrendo la possibilità di
amplificare minime quantità
di DNA da campioni biologici o
fisici tramite la PCR;
• consentendo di assegnare ad
ogni DNA reperito uno
specifico profilo genetico.
Immagine: IRRI Images
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Il DNA fingerprinting (I)
Per DNA fingerprinting si intende il profilo genetico (lett.
impronta digitale) unico che distingue due individui, basato
sulla sequenza del DNA.
Il metodo oggi più utilizzato si basa sulla presenza, in ogni
individuo, di un numero caratteristico di corte sequenze
ripetute (short tandem repeats, STR) formate da blocchi
di ripetizioni di 3 – 5 nucleotidi.
Queste sequenze vengono amplificate tramite PCR dai
campioni di DNA recuperati dalla scena del crimine.
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Il DNA fingerprinting (II)
Dopo l’amplificazione, i prodotti vengono visualizzati su gel
di agarosio.
Il numero di ripetizioni determina la lunghezza dei
frammenti amplificati.
Utilizzando primer specifici per 13 diverse STR si ottiene
un profilo specifico per un determinato individuo.
Le probabilità che due persone condividano l’identico
profilo basato su questa tecnica è nell’ordine di 1 x10-20.
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Il DNA fingerprinting (III)
Fingerprinting di 16 persone non imparentate. La corsa elettroforetica evidenzia 19 varianti
STR ordinate dal più piccolo (19) al più grande (1). Nel campione non esistono due persone che
presentino la stessa coppia di varianti (alleli).
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Biotecnologie etica e società
Le biotecnologie come tecnica sono eticamente neutre:
ha rilevanza etica invece la loro applicazione;
• Questo comporta che le implicazioni debbano essere
valutate caso per caso;
• il dibattito etico deve sempre partire dall’analisi del
rapporto rischio/beneficio: quali vantaggi derivano rispetto
ai potenziali rischi;
• l’applicazione biotecnologica sarà accettabile quando i
vantaggi saranno superiori ai rischi.
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Elementi di dibattito: vantaggi
• Nel settore sanitario le biotecnologie permettono di
produrre un numero crescente di medicine e servizi
medici in modo più sicuro e più etico.
• Nel settore agroalimentare permettono di migliorare la
qualità dei prodotti alimentari e dei mangimi per animali.
• Nel settore industriale, contribuiscono a migliorare
l’uso delle materie prime industriali nel settore delle
trasformazioni energetiche e farmaceutiche.
• Dal punto di vista ambientale offrono nuovi mezzi per
proteggere e migliorare l’ambiente, in particolare l’aria, il
suolo, l’acqua e per attenuare il problema rifiuti.
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Elementi di dibattito: quesiti aperti
• Come difendere la biodiversità;
• Come evitare danni inutili agli animali.
• Quale protezione assicurare all’ambiente naturale e
alla salute dell’uomo contro rischi derivanti da un uso
improprio delle biotecnologie.
• Come armonizzare l’esigenza delle attività produttive,
di ricerca e di formazione e il consenso a livello
individuale e sociale.
• Come assicurare l’accesso alle biotecnologie dei Paesi
in via di sviluppo salvaguardando le economie locali.
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