Le Biotecnologie nel passato, presente e futuro

Centro di Ricerca e Sviluppo Dal 1980 l’AID ha scelto di promuovere la ricerca all’interno della stessa azienda istituendo una divisione R& D. Obiettivi valutare le esigenze del mercato ed offrire una maggiore competitività al sistema produttivo agroindustriale; migliorare in termini qualitativi i processi, i prodotti ed i servizi che vengono offerti alle aziende agroalimentari

Il raggiungimento di questi obiettivi ha condotto: all’intensificazione del rapporto tra il mondo accademico e l’industria all’incremento dell’interazioni tra mercato e ricerca scientifica

Questa esperienza si è consolidata nella costituzione di consorzi e società di cui la stessa AID e l’Università degli studi fanno parte

Dopo 20 anni possiamo dire che: Esiste una consolidata esperienza di cooperazione nel settore agro-industriale tra mondo della ricerca pubblica e privata grazie alle iniziative intraprese dal MURST con i PNR, ed alle leggi che hanno favorito la costituzione di consorzi e società di ricerca.

Per Biotecnologia si intende l’utilizzazione progettuale dei sistemi biologici per ottenere beni e servizi

Pietre miliari della biotecnologia I parte Uso dei lieviti per produrre vino e birra Uso dei lieviti per produrre il pane Antony van Leeuwenhoek scopre i microrganismi con il microscopio Louis Pasteur identifica i lieviti per la fermentazione della birra Eduard Buckner scopre che enzimi estratti dai lieviti possono trasformare lo zucchero in alcool Alexander Fleming scopre la pennicillina Scoperta da Watson e Crick la doppia elica del DNA 6000 a.C 4000 a.C 1680 1867 1897 1928 1953

Pietre miliari della biotecnologia II parte 1973 1975 1997 2000 2001 Prima esperienza di ingegneria genetica Produzione degli anticorpi monoclonali Scoperta degli enzimi di restrizione Viene clonato il primo animale partendo da una cellula di adulto Viene sviluppata la prima mappa completa del genoma di una pianta: Arabdopsis thaliana Completata la mappatura della sequenza del genoma umano

Biotecnologie vegetali A differenza del settore biomedico, le biotecnologie applicate al settore agro-industriale hanno condotto alla produzione di nuovi prodotti che non sono percepibili come tali dallo stesso consumatore. La rivoluzione promossa dalle biotecnologie in agricoltura è di tipo sotterraneo.

Tra le tecniche avanzate il clonaggio molecolare ha rappresentato: La possibilità di ottenere nuove molecole di interesse alimentare

lo strumento fondamentale del clonaggio è sempre un sistema binario IL CLONAGGIO RICHIEDE Che il frammento di DNA da clonare (definito inserto) sia unito ad un’altra molecola di DNA (il vettore) un sistema ospite evoluto e compatibile per i metaboliti essenziali, gli enzimi e le altre proteine dei meccanismi che effettuano la sintesi proteica lo strumento fondamentale del clonaggio è sempre un sistema binario OSPITE-VETTORE

LA TECNICA DEL CLONAGGIO GENICO NECESSITA : l’estrazione del DNA il taglio con enzimi di restrizione l’introduzione dei frammenti in vettori l’inserimento del vettore nella cellula la verifica dell’avvenuta trasformazione mediante tecniche di marcatura

Tappe principali che hanno condotto allo sviluppo delle biotecnologie vegetali: coltura di cellule in vitro e rigenerazione di piante da espianti multicellulari, isolamento e coltura di protolasti, sviluppo di tecniche di ricombinazione genica, scoperta dell’interazione tra A.tumefaciens e genoma vegetale, sviluppo di vettori per le cellule vegetali.

Piante transgeniche L'ingegneria genetica nel campo dell'agricoltura ha come scopo il trasferimento di geni tra specie vegetali non incrociabili, al fine di creare piante resistenti a condizioni ambientali sfavorevoli.

Piante transgeniche Si definiscono transgeniche, quelle piante che hanno integrato nel loro genoma, con sistemi differenti da quello sessuale, un gene esogeno.

Perche’ si costruiscono le piante transgeniche protezione dalle infezioni virali, resistenza agli erbicidi, resistenza agli insetti, resistenza agli stress abiotici, modificazione del metabolismo vegetale, produzione di metaboliti utili.

Piante transgeniche L'ingegneria genetica nel campo dell'agricoltura ha come scopo il trasferimento di geni tra specie vegetali non incrociabili, al fine di creare nuove piante: resistenti a differenti tipologie di stress, con migliorate caratteristiche produttive, con potenziate capacità nutrizionali.

Metodo dell'Agrobacterium nell’inserimento del gene isolato in un vettore molecolare (es.: il plasmide batterico TI).

Metodo dell’elettroperforazione Piante transgeniche Metodo dell'Agrobacterium Metodo del cannone Metodo dell’elettroperforazione Metodo dell’embriogenesi

Quindi le biotecnologie al servizio del settore agroalimentare rappresentano un prezioso strumento per la fornitura di prodotti realizzati in base a specifiche esigenze dei consumatori.

In sintesi si può riassumere che: I prodotti biotecnologici che si progettano e si realizzano risultano meglio orientati a risolvere problemi specifici provocando minori effetti collaterali ed un minor numero di conseguenze inattese.

OGM La sigla O.G.M. sta ad indicare “Organismi Geneticamente Modificati”. L’obiettivo di ottenere un’OGM consiste nel far produrre, all’individuo geneticamente modificato, una proteina particolare che viene poi "sfruttata" per scopi diversi.

OGM I nostri dubbi: Saranno alimenti sicuri da un punto di vista nutrizionale e salutistico? Abbiamo veramente bisogno di questi alimenti? Possiamo farne a meno o è una scelta obbligata? I rischi che si corrono in relazione ad una loro adozione sono commisurati ai benefici stessi?

OGM I nostri dubbi: Le problematiche sono notevoli e di portata tale da non giustificare decisioni affrettate. E’ fuori dubbio che questi "elementi" andranno valutati con estrema attenzione, al fine di non dare vita a processi dei quali non conosciamo le vere conseguenze sull’uomo e sull’ambiente.

così recitava Ippocrate I Cibi Funzionali “Che il nutrimento sia la tua medicina e la medicina il tuo nutrimento" così recitava Ippocrate più di 2400 anni fa.

Cosa sono e dove si collocano i cibi funzionali? Sono i cibi con comprovata utilità per la salute Essi si collocano tra cibo e farmaco cibi funzionali

Un cibo funzionale E’ altrimenti conosciuto come cibo utile alla salute, e viene indicato da tutta una terminologia anglosassone che di volta in volta lo può identificare come "pharmafood", "vitafood" o "nutraceutical". La possibilità di determinare effetti benefici specifici agendo su specifiche funzioni dell’organismo, rende i cibi funzionali molto attrattivi e non è difficile immaginare che una larga fetta della popolazione mondiale (quella più agiata) ricorra abbondantemente ad essi. Per entrare nel merito della discussione basta ricordare che vitamine ed oligoelementi sono antiossidanti ed i probiotici sono esseri viventi che possono essere ingeriti poiché presenti in cibi e preparazioni farmacologiche.

I radicali liberi Anione superossido (O2-.): radicale libero instabile, agisce come ossidante. Perossido di idrogeno (H2O2): non è un radicale libero, ma in presenza di ioni metallici può rompersi e formare radicale idrossilico. Radicale idrossilico (HO.), radicale libero altamente reattivo: reagisce con le molecole circostanti ossidandole e danneggiandole.

Meccanismo di produzione dei radicali liberi Le fonti esogene principali di RL sono costituite da: -  radiazioni solari ultraviolette -  radiazioni ionizzanti -  fumo di sigaretta - smog, gas di scarico di veicoli, impianti di riscaldamento e industrie -  pesticidi, antiparassitari, inquinanti chimici -  farmaci - carne alla brace  

In sintesi:

Difese intrinseche del nostro organismo L’organismo controlla e inattiva i RL presenti al suo interno con una strategia complessa, multifattoriale. Gli enzimi coinvoli: la SOD (superossidodismutasi), la Catalasi la Glutatione-perossidasi. L’organismo poi produce tutta una serie di sostanze circolanti, finalizzate ad altre funzioni biologiche, che tuttavia possiedono una marcata attività antiossidante: albumina, acido urico, bilirubina, melatonina, etc.

Quindi in natura gli antiossidanti si classificano

Le esperienze fatte nel settore biotecnologico hanno riguardato:

Biotecnologie Progetti e prodotti Diagnosi precoce di patogeni mediante sonde clonate e PCR : È consistito nella preparazione di un kit diagnostico di facile impiego ed a tutt’oggi utilizzato presso numerosi laboratori di ricerca e di servizio per l’identificazione di Phoma tracheiphila, fungo patogeno che determina una grave tracheomicosi degli agrumi.

Biotecnologie Progetti e prodotti L’elevata sensibilità del test consente di individuare minime concentrazioni (20 pg di DNA) di patogeno anche in matrici abbastanza complesse come il terreno. Inoltre per l’individuazione del patogeno è stata utilizzata la PCR.

Biotecnologie Progetti e prodotti I batteri criogeni ed il gene INA : L’azienda si è impegnata per oltre venti anni nella lotta sia fisica che biologica contro il gelo. L’utilizzo di ventilatori antibrina consente tutt’oggi di proteggere le colture dal gelo. Ma anche la lotta ad alcuni batteri definiti criogeni che contribuiscono a determinare ingenti danni alle colture ha portato a risultati molto soddisfacenti. Oltre a studi biologico-molecolari sul gene che codifica per la proteina INA è stata individuata la capacità antagonista di alcuni microrganismi naturali nei confronti dei criogeni. Attualmente è in corso la richiesta per l’autorizzazione e l’impiego in pieno campo su ortive e arboree di un formulato biologico attivo.  

Biotecnologie Progetti e prodotti Preparazione di piante transgeniche che resistono agli stress ossidativi: Queste piante sono state ingegnerizzate e successivamente ottenute nel contesto del Piano di ricerca di Bioelettronica (Ministero della Ricerca Scientifica e Tecnologica MURST D.M. 31/10/90 ) anche grazie al coinvolgimento di Istituti e Dipartimenti dell’Università di Catania, Roma e Firenze e dell’ENEA che hanno partecipato al progetto.

Biotecnologie Progetti e prodotti I risultati conseguiti hanno consentito di evidenziare che l’espressione della SOD di Xenopus laevis in piante di tabacco e pomodoro incrementa in modo significativo la resistenza delle piante allo stress ossidativo ed, in particolare, un mutante dello stesso gene manifesta notevole resistenza ai danni alle membrane biologiche causati dall’erbicida Paraquat (Methyl-viologen) che produce anioni superossido.

Biotecnologie Progetti e prodotti Metodologie e tecnologie per la riduzione dell’impatto ambientale derivante dall’uso dei fitofarmaci nel contesto del PNR ambiente D.M. 3/11/97 Risultati: preparazione di due kit immunoenzimatici per verificare la presenza di residui di fitofarmaci nell’ambiente ed in derrate agroalimentari.

Biotecnologie Progetti e prodotti Conservazione biologica e preparazione di segmenti e frutti interi di agrumi per il consumo fresco

Finalità del progetto: Protezione biologica contro i patogeni causa di marciumi Progettazione e realizzazione di una macchina sbuccia ed affetta agrumi

Agricoltura sostenibile Servizio alle imprese Il sopralluogo del magazzino per le valutazioni ambientali, delle superfici di lavorazione e dei prodotti. L’incontro tra un nostro addetto ed il responsabile del magazzino per la definizione delle strategie da attuare in base ai risultati delle analisi effettuate. Le verifiche di controllo microbiologico e le analisi complete delle superfici, dell’aria e dei prodotti lavorati e da lavorare, nell’arco della durata del contratto. 

Sicurezza degli alimenti Progetti presentati Produzione di sistemi diagnostici per il monitoraggio di fattori di rischio e di contaminazione nel settore agroalimentare Presentato nel contesto della Legge 297 ed in attesa di approvazione

Sicurezza degli alimenti Progetti e servizi Realizzazione di agrumi di IV gamma Progetto SIA ENEA-CRAM Produzione di liofilizzati di succhi di arance pigmentate Progetto INFB Controllo microbiologico in macchine Oranfresh® di ns produzione su territorio nazionale

Le biotecnologie applicate alla produzione di alimenti comporteranno: la preparazione di prodotti ad alto valore aggiunto, lo sviluppo di molecole maggiormente corrispondenti alle specifiche richieste dagli operatori, la riduzione dei costi di produzione.

Agricoltura sostenibile Progetti e prodotti Protezione biologica di prodotti ortofrutticoli mediante l’utilizzo integrato di microrganismi antagonisti e di sistemi fisici e chimici non convenzionali.

La valorizzazione dei prodotti ortofrutticoli tipici dell’area mediterranea attraverso la: Protezione biologica, fisica e chimica non convenzionale contro i patogeni causa di marciume. Riduzione dei residui di fitofarmaci sul frutto.

Valutazioni comparative tra arance bionde e pigmentate per 100g di prodotto

Gli antociani e la vitamina C sono un cocktail di molecole attive che prevengono gravi patologie e attivano le difese immunitarie

Attività della Vitamina C Numerosi i meccanismi proposti ed accertati: attività antiossidante e "scavanger" di radicali liberi, attività sinergica con la vitamina E nella protezione del processo di lipoperossidazione, attività bloccante la formazione di nitrosammine cancerogeniche a partire da nitrati nello stomaco, attività stimolante il sistema immunitario, azione antibatterica ed antivirale, azione protettiva contro la rottura cromosomica che induce la carcinogenesi.

Una fetta di agrume pigmentato: Le arance rosse sono ricche di sostanze naturali benefiche la vitamina C aumenta le difese immunitarie e previene i disturbi cardiovascolari, limita i danni da nicotina e svolge un’azione antistress il selenio i carotenoidi ritardano l’invecchiamento la pectina abbassa i contenuti di colesterolo nel sangue gli antociani sono dei potenti antiossidanti e prevengono i tumori

Valutazioni comparative tra arance bionde e pigmentate per 100g di prodotto

Un prodotto sano e naturale: l’arancia biologica pronta al consumo. Il risultato Un prodotto sano e naturale: l’arancia biologica pronta al consumo. Prodotto di IV gamma

Le biotecnologie consentiranno ai ricercatori di personalizzare le terapie nutrizionali attraverso: l’analisi del corredo genetico medicina predittiva

L’alba di una nuova tecnologia: Il DNA chip e microarray E’ possibile ottenere ciò? L’alba di una nuova tecnologia: Il DNA chip e microarray

Si parte da dati certi Il sequenziamento globale del DNA umano ha fornito/fornirà l’archivio completo delle “istruzioni genetiche” Il primo passo per esprimere l’informazione contenuta in tale archivio è di convertirla in RNA e proteine.

Ed inoltre è noto che Gli organismi viventi sono un insieme ordinato di cloni cellulari che si sono specializzati in modi diversi durante lo sviluppo embrionale attivando un differente profilo di espressione genica I geni possono infatti essere accesi o spenti, le cellule differiscono perché esprimono geni differenti. Il profilo differenziale di espressione genica distingue non solo un tipo di cellule da un altro ma anche una fase di crescita da un’altra od uno stato normale da uno patologico

Ed ancora Ciascun filamento di DNA o di RNA porta con se la capacità di riconoscere e quindi riassociare o di riibridare una sequenza complementare attraverso le regole dell’appaiamento di basi. Le condizioni sperimentali che favoriscono la specificità di riassociazione dipendono da: Forza ionica Temperatura pH

Terminologia DNA Chip Oligonucleotide based DNA arrays DNA microarray Gene chip Genome chip Microarrays (200 ) Macroarrays (300 )

Esistono due varianti del DNA microarray DNA chip Sistema meccanico di posizionamento di oligonucleotidi (da 20 a 25 pb) assemblati su di una microgriglia di silicio DNA Microarray Sistema meccanico di posizionamento di cDNA(geni o frammenti da 500-5000 pb) assemblati su silicio, su vetro, nylon ed altre matrici

Preparazione della microgriglia La sintesi degli oligo sulla microgriglia è basata su di un processo di litofotografia che serve per bloccare alcuni gruppi reattivi delle basi azotate

DNA Microarray Microdeposizione robotizzata e conseguente immobilizzazione chimica di frammenti di cDNA in microgriglie Sono stati messi a punto dei protocolli di PCR per aumentare l’efficacia di produzione di molecole di cDNA sino ad ottenerne un migliaio al giorno.

Visualizzazione dei risultati L’ibridazione sulla griglia è evidenziata dalla fluorescenza in rosso e in verde L’intensità del segnale è funzione del livello di espressione

Le Biotecnologie: probabilmente i nuovi progetti sviluppati in campo agroalimentare potranno migliorare la nostra qualità della vita.