Biologia.blu B - Le basi molecolari della vita e dell’evoluzione David Sadava, H. Craig Heller, Gordon H. Orians, William K. Purves, David M. Hillis Biologia.blu B - Le basi molecolari della vita e dell’evoluzione 1 1

Le biotecnologie 2 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 2

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 3 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 3

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. 4 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 4

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. 5 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 5

L’elettroforesi su gel 6 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 6

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). 7 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 7

La reazione a catena della polimerasi Nel 1983 Kary Mullis vince il premio Nobel per aver sviluppato la tecnica della PCR. 8 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 8

La clonazione La clonazione consiste nella produzione in molte copie di una molecola di DNA ricombinante. Per fare questo il DNA ricombinante deve essere inserito in cellule ospiti che vengono chiamate transgeniche. Per riconoscere le cellule contenenti DNA ricombinante si possono usare geni reporter di cui si conosce il fenotipo, che servono dunque da marcatori genetici. 9 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 9

Il famoso caso della pecora Dolly Nel 1997 per la prima volta si riuscì a clonare con successo un mammifero partendo da una cellula somatica adulta. 10 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 10

I vettori che trasportano il DNA Per trasportare il DNA ricombinante all’interno di una cellula ospite si usano vettori che possono essere plasmidi, virus o cromosomi artificiali di lievito. 11 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 11

Le genoteche di frammenti di DNA Dopo aver clonato il DNA ricombinante nelle cellule transgeniche, queste colture cellulari diventano degli archivi (genoteche) di informazioni genetiche. 12 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 12

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 dell’mRNA e perciò viene utilizzato per creare biblioteche contenenti l’informazione sull’attività genica della cellula. 13 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 13

I microarray a DNA 14 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 14

Il sequenziamento del DNA Sequenziare il DNA significa determinare l’ordine dei nucleotidi nella molecola d’interesse. 15 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 15

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. 16 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 16

Come si fa a sequenziare il DNA? 17 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 17

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. 18 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 18

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. 19 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 19

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. 20 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 20

I vettori di espressione 21 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 21

I farmaci biotecnologici usati in medicina 22 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 22

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. 23 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 23