GENETICA E GENOMICA. La Missione. BIOTEC GEN

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1 GENETICA E GENOMICA La Missione. Ricerca e sviluppo a livello pilota e/o prototipale di processi/prodotti a base biologica, a forte contenuto innovativo e suscettibili di interesse per imprese industriali high-tech.

2 La Variabilità genetica: una risorsa preziosa

3 Sequenziamento automatico ad alta capacità DNA microarray Analisi Proteomica Genomica a Flusso

4 Per vedere questa immagine occorre QuickTime e un decompressore Cinepak. DNA, Cromosomi, cellule e piante: La plasticità degli esseri vegetali

5 Biotecnologie e Miglioramento Genetico Fusione di cellule (protoplasti) da diversi genotipi Localizzazione di geni tramite marcatori molecolari e clonaggio genico Trasferimento mirato di nuove caratteristiche tramite -trasformazione con Agrobacterium -metodo biolistico -assunzione diretta di DNA.

6 I tessuti vegetali sono costituiti da cellule TOTIPOTENTI, in grado di rigenerare una pianta identica a quella di partenza. Le cellule vegetali private della parete cellulosica, dette PROTOPLASTI, possono essere manipolate con le tecniche dell ingegneria genetica e/o cellulare per ottenere linee cellulari trasformate con specifici geni e ibridi somatici con caratteri complessi. Da esse si rigenerano piante identiche al genitore tranne che per i caratteri eventualmente inseriti.

7 Ibridazione somatica: trasferimento di caratteri poligenici tra specie non compatibili - Somma i genomi di ambedue le specie - Trasferisce caratteristiche poligeniche - Richiede selezione e/o reincrocio

8 Le Cellule Vegetali sono Totipotenti

9 Micropropagazione. Moltiplicazione rapida di piante di valore sperimentale e/o economico - Risanamento da malattie - moltiplicazione di specie rare - moltiplicazione di specie da reddito a propagazione vegetativa - velocizzazione dei cicli produttivi

10 DNA Metodi molecolari di inserimento di geni in pianta

11 le ricerche in corso... Genetica e Genomica Ingegneria metabolica e molecular farming Genomica funzionale e Proteomica in specie utili Silenziamento genico e interazioni virali con la pianta Miglioramento Genetico Assistito via Fingerprinting molecolare di specie vegetali tipiche Caratterizzazione di microorganismi utili dell ambiente mediterraneo

12 Le PIANTE COME FERMENTATORI Vs

13 Il Virus X (PVX) della patata espone sulla superfice determinanti antigenici di HIV gp 41 Virus vegetale PVX Che prospettive? - alta risposta anticorpale senza pericolo di infezione - possibile sviluppo di un vaccino nel medio periodo - attualmente sperimentazione sull animale HIV-1 Ogni particella virale è rivestita di 1400 ca elementi proteici, ciascuna delle quali espone esternamente l antigene gp 41

14 Produzione di vaccini in pianta Produzione ad alta resa di anticorpi Moltiplicazione in pianta di anticorpi contro virus Nel medio termine: Rilascio di nuovi vaccini edibili a basso costo Produzione piu sicura di antigeni per sollecitare la risposta anticorpale Che vantaggi? - alta compatibilta - minori rischi patogenici e costi di produzione - migliore conservabilità

15 Un esempio sperimentale: l incremento del contenuto di pigmenti antiossidanti (Carotenoidi) in pomodoro Lycopene β-carotene β-cyclase A) Via Biosintetica C) Fenotipo 200 Lycopene β-carotene Xanthophylls µg/gm fresh weight B) Costrutti Overexpressors Parental Antisense D) Contenuto in carotenoidi

16 Analisi Genomica e Proteomica In Specie Tipiche - pomodoro Toscano S. Marzano Principe Umberto Genomica Giallo invernale Proteomica Corbarino

17 Blocco dell espressione genica tramite infezione virale gene silencing The EMBO Journal (2002); 21:

18 Controllo del genoma ed isolamento di caratteristiche utili ANALISI DELLA STABILITA GENETICA e GENOMICA ANALISI E SORTING DI CROMOSOMI VEGETALI COSTRUZIONE DI LIBRERIE di DNA CROMOSOMA SPECIFICHE A cosa serve -controllo di qualità dei materiali (stabilità genetica) - identificazione (sonde molecolari) - isolamento di parti definite del genoma (cromosomi) per l isolamento di geni e della loro organizzazione

19 Caratterizzazione genetica di specie tipiche tramite marcatori molecolari - agrumi

20 MAS - Selezione Assistita con Marcatori Molecolari Nuovi legumi per ambienti aridi 1b 1a Selezione di piante con caratteristiche superiori mediante trasferimento di geni presenti nel germoplasma naturale della specie Il risultato dei programmi di miglioramento genetico è garantito se il carattere è presente tra le specie sessualmente compatibili 1c 2 I risultati sono attesi sul medio lungo periodo (7-10 anni) 3 L integrazione con le Biotecnologie puo ridurre del 50-80% i tempi di conseguimento dei risultati attesi

21 Utilizzo di specie microbiche in agricoltura per il controllo biologico dei patogeni vegetali Impatto sull ambiente dell uso di specie microbiche in agricoltura e valutazione del rischio per la salute umana

22 Burkholderia cepacia complex Microbiologia applicata all Agricoltura ed alla Salute: Possibilità di interazione e caratterizzazione Biocontrollo Bioremediation Infezione in pazienti con Fibrosi Cistica Fusarium Fusarium B.cep. ctrl +B.cep. Polmoni infettati da B. cepacia Analisi del rischio associato all utilizzazione di specifici tipi di microorganismi L ambiente naturale come potenziale serbatoio di microorganismi patogeni

23 Serra sperimentale a contenimento di sicurezza in classe P2 per ricerche su piante - CR Casaccia

24 GENETICA E GENOMICA VEGETALE Personale a tempo indeterminato Ricercatori 31 Tecnici

25 PORTAFOGLIO DI PUBBLICAZIONI SU RIVISTE INTERNAZIONALI (con referee) 37 impact factor medio di ~ 3,9 PORTAFOGLIO DI BREVETTI 4

26 .alcuni dei Progetti finanziati in corso Fondo speciale per lo sviluppo della ricerca di interesse strategico (FIRS) GENEFUN: Geni e loro funzioni, un approccio integrato Fondo per gli investimenti e per la ricerca di base (FIRB) Da Arabidopsis a Pomodoro: una rete scientifica e una piattaforma tecnologica per la genomica funzionale dello sviluppo vegetale (Progetto negoziale) Genomica e funzioni geniche della risposta delle piante a stress ambientali (Progetto negoziale) E-GEN: ENEA facility for advanced genomics, proteomics and bioinformatics(progetto negoziale) Meccanismi molecolari della fotosintesi (Progetto autonomo) Piano Operativo Nazionale (PON) INAGRIMED: ricerche integrate per l innovazione di processo e di prodotto nelle filiere di prodotti tipici mediterranei

27 CONCLUSIONI PRIMA Gli studi e le ricerche di Genetica e Genomica Vegetale si sono venute naturalmente sviluppando nell ENEA sin dalla sua fondazione come evoluzione delle attivita dell originario Laboratorio per le Applicazione delle Radiazioni in Agricoltura ORA I prodotti delle ricerche condotte si possono riassumere come: La pubblicazione di un rilevante numero di lavori scientifici sulle maggiori riviste internazionali del settore Lo sviluppo di tecnologie e metodi innovativi per l analisi, l isolamento e l utilizzazione della variabilità genetica (brevetti, nuove varietà vegetali) La diffusione delle conoscenze sviluppate tramite la formazione di ricercatori e l interazione con il mondo scientifico e produttivo esterno IN FUTURO Una sempre maggiore consapevolezza delle opportunità offerte, e dei limiti, delle Biotecnologie e dei vantaggi di una integrazione delle conoscenze e delle metodologie proprie del miglioramento genetico classico per lo sviluppo di prodotti in armonia con l ambiente ed utili all uomo per la sua salute

28 GENETICA E GENOMICA Principali linee di attività: Caratterizzazione e miglioramento genetico di piante tipiche mediterranee per la qualità del prodotto Produzione in pianta di molecole ad alto valore aggiunto (vaccini, anticorpi) Ingegneria metabolica per l ottenimento di nutriceuticals di origine vegetale Caratterizzazione del genoma di specie utili (pomodoro) per il miglioramento della salubrità dell alimento, dell architettura della pianta, e incremento della sua resistenza a fitopatie Caratterizzazione di ceppi microbici utili per la protezione e la fertilizzazione di piante coltivate, con valutazione delle implicazioni per la salute umana.