Le biotecnologie. Sadava et al. Biologia La scienza della vita Zanichelli editore 2010

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1 Le biotecnologie 1

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4 Cosa sono le biotecnologie? Le biotecnologie sono tutte quelle tecniche utilizzate (fin dall antichità) per produrre sostanze specifiche a partire da organismi viventi o da loro derivati. A metà del Novecento la biologia molecolare offre gli strumenti per lo sviluppo dell ingegneria genetica. Ceppo di batteri E. Coli che produce insulina 4

5 TECNOLOGIA DELLE COLTURE CELLULARI

6 Cellule staminali (cfr file staminali) Unipotenti Multipotenti Pluripotenti Totipotenti 6

7 La tecnologia del DNA ricombinante Questa tecnica permette di tagliare piccole sequenze di DNA per trasferirle in genomi di altre cellule. Gli enzimi di restrizione tagliano il DNA a livello di specifiche sequenze chiamate siti di restrizione. Le DNA ligasi cuciono i frammenti formando DNA ricombinante. 7

8 ENZIMI DI RESTRIZIONE ELETTROFORESI SU GEL AGAROSIO POLIACRILAMMIDE

9 POLIACRILAMMIDE Gelidum AGAROSIO

10 Per saperne di più L elettroforesi su gel 10

11 Sonde

12 Produzione sonde

13 Southern blotting

14 Per saperne di più La reazione a catena della polimerasi Nel 1983 Kary Mullis vince il premio Nobel per aver sviluppato la tecnica della PCR. 14

15 L impronta genetica Ogni individuo possiede la sua impronta genetica: frammentando il DNA e analizzandolo su gel di elettroforesi, ognuno di noi può essere identificato da una specifica combinazione di polimorfismi della lunghezza dei frammenti di DNA (RFLP). 15

16 In che modo i frammenti di restrizione riflettono la sequenza del DNA Le differenze tra i frammenti di restrizione che vengono prodotte sono dette poliformismi della lunghezza dei frammenti di restrizione (Restriction Fragment Length Polymorphisms o RFLP) e riflettono le differenze nelle sequenze del DNA di partenza. w Allele I (scena del crimine) Taglio C C G G G G C C z Allele II (indiziato) A C G G T G C C x y Taglio C C G G G G C C y Taglio C C G G G G C C Figura 12.12A DNA prelevato dai cromosomi

17 Dopo il taglio con gli enzimi di restrizione, i frammenti vengono separati su un gel: 1 2 Frammenti più lunghi z x w Figura 12.12B Frammenti più corti + y y

18 Per individuare gli alleli difettosi si possono usare le sonde a DNA Un importante applicazione dell analisi dei frammenti di restrizione consiste nell individuare alleli con alterazioni correlabili a patologie genetiche non manifeste. Le sonde radioattive possono rivelare bande di DNA d interesse su un gel.

19 Utilizzo dell analisi dei frammenti di restrizione per individuare un allele dannoso: 1 Preparazione dei frammenti di restrizione Frammenti di restrizione I II III 2 Elettroforesi su gel I II III 3 Assorbimento Carta da filtro 4 Sonda radioattiva Sonda Filamento singolo di DNA radioattivo (sonda) 5 Rilevamento della radioattività (autoradiografia) I II III Figura 12.12C I II III Pellicola

20 STR short tandem repeats o microsatelliti Usati per costruire il CODIS (Combined DNA Index System) con 13 loci + 1 per i cromosomi sessuali (AMEL) Usali (AMEL)

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22 Storia della scienza Il famoso caso di Dolly 22

23 Le genoteche di frammenti di DNA Dopo aver clonato il DNA ricombinante nelle cellule transgeniche, queste colture cellulari diventano degli archivi (genoteche) di informazioni gen etiche. 23

24 Le biblioteche di cdna Gli mrna trascritti da una cellula in un determinato momento (trascrittoma) si possono copiare in sequenze complementari di DNA (cdna). Il cdna è più stabile del filamento di mrna e perciò viene utilizzato per creare biblioteche contenenti l informazione sull attività genica della cellula. 24

25 Per saperne di più I microarray a DNA 25

26 Il sequenziamento del DNA Sequenziare il DNA significa determinare l ordine dei nucleotidi nella molecola d interesse. 26

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28 Per saperne di più Come si fa a sequenziare il DNA? 28

29 BIOINFORMATICA Cfr FILE CUSMIBIO

30 Il Progetto Genoma Umano Il Progetto Genoma Umano, portato a termine nel 2003, ha sequenziato il corredo cromosomico aploide di un essere umano, che comprende oltre 3 miliardi di nucleotidi. 30

31 La genomica La genomica studia la struttura del genoma, le informazioni in esso contenute, il modo in cui le sue parti interagiscono e la sua evoluzione. Si parla di genomica funzionale e comparata. 31

32 Le nuove frontiere delle biotecnologie - 1 Vettori di espressione per fare esprimere un gene estraneo (transgene) nella cellula ospite Pharming, ovvero la produzione di farmaci proteici mediante animali transgenici Organismi Geneticamente Modificati, soprattutto piante GM usate in agricoltura 32

33 Le nuove frontiere delle biotecnologie - 2 La bioinformatica (informatica applicata alla biologia molecolare) ha permesso di passare dallo studio di singoli geni a quello dell intero trascrittoma e proteoma Interferenza dell RNA (o RNAi) e microrna, quest ultimo permette di silenziare la traduzione di mrna complementari, rendendo possibile l intervento sull attività metabolica dell organismo di interesse 33

34 I vettori di espressione 34

35 I farmaci biotecnologici usati in medicina 35

36 Le biotecnologie in agricoltura Il golden rice è un esempio di specie vegetale geneticamente modificata per arricchire di β-carotene i chicchi di riso, che normalmente non lo contengono. 36

37 L esperimento di Cohen e Boyer Nel 1973 Cohen e Boyer combinano due sequenze diverse di DNA per produrre una nuova molecola di DNA ricombinante. 37