Tema C Capitolo 12 Le biotecnologie

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Cornelio Gagliardi
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1 1. Biotecnologie di ieri e di oggi 2. Come si fanno gli OGM? 3. La «prova del DNA» 4. A che cosa servono gli OGM? 5. La «fotocopiatrice genetica» 6. Gli anticorpi monoclonali 1

Biotecnologie di ieri e di oggi biotecnologia = uso di organismi viventi per produrre sostanze utili all uomo Ci sono biotecnologie molto antiche: per produrre il pane, i formaggi, il vino e la birra

2 Biotecnologie di ieri e di oggi biotecnologia = uso di organismi viventi per produrre sostanze utili all uomo Ci sono biotecnologie molto antiche: per produrre il pane, i formaggi, il vino e la birra sfruttiamo da millenni i lieviti e i batteri. Le «nuove» biotecnologie sono basate sulle scoperte dell ingegneria genetica, cioè su tecniche per ritagliare frammenti del DNA e inserirli nei nuclei cellulari. 2

Dal codice genetico alle proteine 1 1 la molecola del

quattro lettere (i nucleotidi) citosina timina adenina

pezzo di DNA: la sua sequenza di nucleotidi è una

nucleotidi corrisponde un particolare aminoacido:

3 Dal codice genetico alle proteine 1 1 la molecola del DNA è un «ricettario» scritto con un alfabeto di quattro lettere (i nucleotidi) citosina timina adenina guanina gene 2 3 aminoacidi proteina 2 ogni gene è un pezzo di DNA: la sua sequenza di nucleotidi è una «ricetta» scritta in codice 3 a ogni tripletta di nucleotidi corrisponde un particolare aminoacido: usando il codice genetico la cellula «legge» il gene e sintetizza la proteina 3

4 Dal codice genetico alle proteine Per ottenere una certa proteina bisogna per prima cosa isolare il gene che codifica quella proteina. enzimi di restrizione Gli enzimi di restrizione sono come microscopiche forbici che tagliano il DNA in posizioni precise e prestabilite. 4

Il DNA ricombinante e gli OGM Gli enzimi di restrizione permettono di isolare un gene dal resto del genoma. Con gli enzimi ligasi si può ricucire il gene dentro un altra sequenza di DNA.

5 Il DNA ricombinante e gli OGM Gli enzimi di restrizione permettono di isolare un gene dal resto del genoma. Con gli enzimi ligasi si può ricucire il gene dentro un altra sequenza di DNA. DNA dal batterio DNA ricombinante DNA dal virus così nel 1973 due geni (di un batterio e di un virus) sono stati ritagliati e poi cuciti insieme in questo modo è stata creata la prima molecola di DNA ricombinante la molecola è stata inserita in un batterio, che è diventato così il primo organismo geneticamente modificato (OGM) 5

Il DNA ricombinante e gli OGM nel 1982 si è inserito nella cellula-uovo di un topo il gene di un altra specie che codifica per l ormone della crescita è nato così il «topo gigante» della foto: il

6 Il DNA ricombinante e gli OGM nel 1982 si è inserito nella cellula-uovo di un topo il gene di un altra specie che codifica per l ormone della crescita è nato così il «topo gigante» della foto: il primo animale OGM o transgenico, cioè con geni provenienti da un altra specie Tra il 2001 e il 2004 poi è stato completato il sequenziamento del genoma umano: si è identificata tutta la sequenza di nucleotidi che compone il nostro DNA. 6

7 Come si fanno gli OGM? primo passo: clonazione del DNA = si fanno copie di un pezzo di genoma 1. si identifica nel genoma umano il gene che interessa 2. si scelgono opportuni enzimi di restrizione capaci di tagliare il nostro DNA proprio in quelle posizioni 3. con gli stessi enzimi si taglia un plasmide (molecola di DNA circolare tratta da un batterio) Questi plasmidi del batterio E. coli possono essere isolati e usati come «vettori» per inserire tratti di DNA in altri organismi. 4. si aggiunge l enzima ligasi che unisce i due pezzi, formando così una nuova molecola di DNA circolare 7

8 Come si fanno gli OGM? Esempio: la produzione dell ormone della crescita ricombinante 1 si produce il plasmide con il DNA che codifica per l ormone della crescita 3 il batterio sintetizza l ormone della crescita seguendo le istruzioni del DNA inserito DNA ricombinante 2 lo si inserisce in un batterio 4 si estrae dal batterio, purificandolo, l ormone della crescita ricombinante, che è identico a quello umano 8

9 Come si fanno gli OGM? Per creare un animale transgenico si utilizza la tecnica della microiniezione. La pipetta di vetro a destra inserisce il DNA clonato nel pronucleo della cellula-uovo, tenuta ferma dalla pipetta a sinistra. nucleo della cellula-uovo 9

La «prova del DNA» Oggi per identificare il colpevole di un delitto non occorre più che lasci le sue impronte digitali. Può bastare un poco di saliva, un pezzetto di pelle o un capello. Come mai?

10 La «prova del DNA» Oggi per identificare il colpevole di un delitto non occorre più che lasci le sue impronte digitali. Può bastare un poco di saliva, un pezzetto di pelle o un capello. Come mai? I biotecnologi hanno scoperto che gli enzimi di restrizione tagliano il genoma umano in frammenti di lunghezza diversa a seconda dell individuo. Con le «impronte di DNA» perciò si possono identificare le persone usando campioni delle loro cellule. 10

La «prova del DNA» La tecnica dell elettroforesi: in un campo elettrico la molecola del DNA (negativa) «migra» verso il polo positivo il DNA, spezzettato usando

11 La «prova del DNA» La tecnica dell elettroforesi: in un campo elettrico la molecola del DNA (negativa) «migra» verso il polo positivo il DNA, spezzettato usando enzimi di restrizione, viene immerso in un gel i frammenti più piccoli di DNA attraversano i pori del gel e migrano più velocemente rispetto ai frammenti grandi 11

12 La «prova del DNA» Questa foto mostra le impronte di DNA di tre persone, ottenute con l elettroforesi. La posizione dei frammenti di DNA migrati nel campo elettrico (dall alto verso il basso) è caratteristica di ogni individuo. 12

13 La «prova del DNA» bimbo mamma Aldo Bruno Sapreste dire chi è il padre del bambino? È Aldo oppure Bruno? Il padre naturale è Bruno: soltanto lui infatti possiede alcuni frammenti di restrizione che migrano come quelli del bambino. 13

In passato per esempio l insulina per i diabetici era estratta dai

14 Gli OGM sono utili per curare le malattie Con le biotecnologie si producono farmaci più sicuri rispetto ai loro equivalenti tradizionali. In passato per esempio l insulina per i diabetici era estratta dai maiali. Oggi invece la si produce con le biotecnologie all interno di batteri. 14

Gli OGM sono utili in agricoltura Con le biotecnologie, inserendo particolari geni nelle piante: si possono migliorare le loro proprietà alimentari

15 Gli OGM sono utili in agricoltura Con le biotecnologie, inserendo particolari geni nelle piante: si possono migliorare le loro proprietà alimentari le si può rendere più resistenti ai parassiti o agli erbicidi La soia OGM e il riso OGM all aspetto sono indistinguibili da quelli tradizionali. 15

16 Le biotecnologie possono contribuire a «ripulire» l ambiente Un batterio fluorescente può essere utilizzato come biosensore per rivelare l inquinamento dell acqua. 16

La PCR, una «fotocopiatrice genetica» La

enzima polimerasi, che è capace di copiare

si apre (denaturazione) a circa 60 ºC gli

polimerasi copia il DNA (sintesi) il ciclo

17 La PCR, una «fotocopiatrice genetica» La tecnica della PCR si basa sull uso dell enzima polimerasi, che è capace di copiare fedelmente il DNA in soluzione ºC ºC Ogni ciclo della PCR richiede pochi minuti, e a ogni ciclo il numero delle molecole di DNA raddoppia ºC 1 2 a 90 ºC la doppia elica del DNA si apre (denaturazione) a circa 60 ºC gli inneschi si legano al DNA 3 a 72 ºC l enzima polimerasi copia il DNA (sintesi) il ciclo della PCR 4 alla fine del ciclo si hanno due frammenti di DNA identici a quello iniziale 17

La PCR, una «fotocopiatrice genetica» La PCR è utile quando si ha una piccola quantità di materiale genetico e lo si vuole moltiplicare rapidamente per poterlo

18 La PCR, una «fotocopiatrice genetica» La PCR è utile quando si ha una piccola quantità di materiale genetico e lo si vuole moltiplicare rapidamente per poterlo studiare. cellula normale cellula OGM Esempio: grazie alla PCR, i laboratori che analizzano gli alimenti possono individuare tracce anche minuscole di OGM nei cibi. 18

I biotecnologi hanno trasformato in laboratorio i linfociti in ibridomi, speciali cellule che sono immortali e possono produrre

19 Gli anticorpi monoclonali anticorpo antigene batterio Il sistema immunitario identifica le proteine estranee con gli anticorpi: questi si legano a specifici antigeni e indicano così ai globuli bianchi il nemico da uccidere. I biotecnologi hanno trasformato in laboratorio i linfociti in ibridomi, speciali cellule che sono immortali e possono produrre gli anticorpi in grande quantità. Gli ibridomi sono tutti cloni di una stessa cellula, perciò gli anticorpi che producono sono chiamati anticorpi monoclonali. 19

Gli anticorpi monoclonali Diagnosticare le malattie Oggi molte malattie si identificano con un semplice prelievo di sangue. anticorpo molecola luminosa antigene 1.

20 Gli anticorpi monoclonali Diagnosticare le malattie Oggi molte malattie si identificano con un semplice prelievo di sangue. anticorpo molecola luminosa antigene 1. in laboratorio si isolano le proteine dal sangue 2. si aggiungono gli anticorpi monoclonali, legati a enzimi capaci di generare luce 3. se nel campione è presente l antigene cercato, il preparato osservato al microscopio si illumina 20

Gli anticorpi monoclonali Curare le malattie sostanza tossica legata all anticorpo proteina della cellula tumorale Per curare un tumore si possono somministrare all organismo

21 Gli anticorpi monoclonali Curare le malattie sostanza tossica legata all anticorpo proteina della cellula tumorale Per curare un tumore si possono somministrare all organismo anticorpi legati a sostanze tossiche. anticorpo Così, quando gli anticorpi trovano in una cellula la proteina caratteristica del tumore, la cellula tumorale verrà uccisa. cellula tumorale 21

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