DIDATTICA delle BIOTECNOLOGIE Prospettiva applicativa

Gabriella Gabrielli Scuola di Bioscienze e Biotecnologie

Università di Camerino

Scuola di Bioscienze e Biotecnologie

L - Biosciences and Biotecnology (3 anni-180 CFU)in lingua inglese

Curriculum BiologyCurriculum Biotechnology

L - Biologia della Nutrizione (3 anni-180 CFU)sede: San Benedetto del Tronto

LM - Biological Sciences (2 anni-120 CFU)in lingua inglese

Curriculum Molecular Diagnostic and Biotechnology

Curriculum Nutrition and Functional Food

Chemical and Pharmaceutical Sciences and Biotechnology

Life and Health Sciences

Molecular and cellular biotechnology

Ecosystems and biodiversity management

One health

Phd programme in e-Health and TelemedicinePhd programme in Malaria and human development

School of Advanced Studies

La figura professionale del Biotecnologo

Biotechjob 2.0, il luogo dove i professionisti del

biotech si incontrano

Per la prima volta in Italia, i profili dei professionisti delle Biotecnologie sono riuniti all'interno di un aggregatore che vede protagonisti gli attori dello sviluppo biotecnologico del nostro paese, Aziende, Parchi Scientifici Tecnologici ed Istituzioni, le loro offerte di lavoro, oltre a notizie, tecnologie, servizi e molto altro ancora.

L’Associazione Nazionale dei Biotecnologi Italiani (www.biotecnologi.org) è un’associazione non profit di

Biotecnologi attivi nella valorizzazione della propria scelta professionale, nella promozione dello sviluppo delle biotecnologie e della ricerca scientifica, nell’innovazione dei rapporti scienza e

società.

Biotech in ItaliaBiotech in Italia

da Rapporto sulle Biotecnologie in Italia, 2012ASSOBIOTEC – Associazione Nazionale per lo Sviluppo delle Biotecnologie

A fine 2011 sono state rilevate, in Italia, 394 imprese di biotecnologie impegnate in attività di ricerca e sviluppo. L’Italia è terza in Europa, dopo la Germania e il Regno Unito, per numero di imprese pure biotech.

Il potenziale pervasivo delle biotecnologie trova applicazione in una molteplicità di comparti industriali, e sono sempre più numerose le aziende che, pur operando in settori “tradizionali”, integrano prodotti e tecnologie biotech nei propri processi produttivi, al fine di migliorarne la qualità e la resa, e di diminuirne l’impatto ambientale.

Biotech in ItaliaBiotech in Italia

da Rapporto sulle Biotecnologie in Italia, 2012 – ASSOBIOTEC - Associazione Nazionale per lo Sviluppo delle Biotecnologie

Biotech in ItaliaBiotech in Italia

Posizione geografica delle imprese Biotech in Italia

Cosa sono le biotecnologie

Le biotecnologie sono tutte quelle tecnologie che usano organismi viventi o parti di essi allo scopo di produrre prodotti utili all'uomo, di migliorare

piante ed animali o sviluppare microrganismi utili per usi specifici

Le biotecnologie tradizionali

Bevande e cibi fermentati: vino, birra, pane, latte(fermentazione, lievitazione)

Biotecnologie tradizionali nell'agricoltura: selezione dei semi delle piante con le caratteristiche migliori e delle specie di animali domestici più adatte alle esigenze

1972: Paul Berg (Stanford University) infranse per la prima volta il confine tra specie creando una molecola ibrida di DNA partendo dal DNA di una scimmia e di un batterio. È l’inizio dell’era del

DNA RICOMBINANTE

Il DNA ricombinante è utilizzato per produrre OGM in grado, ad esempio, di funzionare come bioreattori per la produzione di ormoni ad uso medico o vaccini. Il bioreattore più utilizzato è l’Escherichia coli, un batterio nel quale può essere inserito un gene da tradurre abbondantemente in proteina.

Il primo farmaco da biotecnologie

PRODUZIONE DELL'INSULINA PER VIA RICOMBINANTE (1982)

Il primo farmaco da biotecnologie èstato l’insulina umana ricombinante. Nel batterio Escherichia coli è stato introdotto un gene codificante per l'insulina, isolato a partire da cellule umane. Dopo questa manipolazione, il batterio ricombinante produce un'insulina assolutamente identica a quella secreta dalle cellule del pancreas umano.

Biotecnologie per la salute dell'uomo

• farmaci biotecnologici (antibiotici, fattori di coagulazione, ormoni, fattori di crescita, citochine, enzimi, vaccini e anticorpi monoclonali per il trattamento di tumori e malattie infiammatorie e infettive)

• terapia cellulare, terapia genica (cellule staminali)

• medicina rigenerativa

• diagnostica

• cosmetica

Sono diverse le aree primarie nel settore delle biotecnologie applicate alla salute dell’uomo. Esse comprendono

Red biotech

Biotecnologie per la salute dell'uomoIl Pharmaceutical Research and Manufacturers of America indica che ad

oggi sono stati impiegati più di 600 farmaci e terapie biotecnologiche per

trattare più di 100 malattie. Di questi 600 farmaci:

- 210 sono rivolti al trattamento dei tumori

- 50 sono rivolti al trattamento di malattie infettive

- 44 sono rivolti al trattamento di disordini autoimmuni

- 22 sono rivolti al trattamento dell’AIDS

- 22 sono rivolti al trattamento di malattie cardiovascolari

Biotecnologie per la salute dell'uomo

Animali TransgeniciTrasferendo geni estranei di qualunque provenienza (microbica, vegetale, animale) nella cellula uovo fecondata di un animale, sono stati prodotti animali transgenici, dotati cioè di caratteri nuovi che mai avrebbero potuto acquisire con tecniche naturali.

Utilizzi pratici

in ambito biomedico:-“bioreattori” per la produzione di farmaci

(interleuchina 2 nel latte di pecore transgeniche)- xenotrapianti = trapianti fra specie diverse

in zootecnia:- resistenza a virus

in ambito alimentare:- linee genetiche controllate di animali che

producano alimenti migliori e in maggiori quantità e che siano più resistenti alle infezioni

Biotecnologie per l’agricoltura: green biotechLe Piante TransgenicheL'ingegneria genetica nel campo dell'agricoltura permette di conferire una nuova caratteristica genetica a una pianta che resta, per il resto del genoma, perfettamente identica a quella iniziale.

Piante transgeniche resistenti a virus e altri patogeni, ai metalli pesanti, all'aciditàdel suolo, ai sali, al gelo, all'eccesso di luce, alla radiazione ultravioletta, alla siccità

OGM

Piante transgeniche resistenti agli erbicidi

Piante transgeniche "insetticide“(contro acari, farfalle nel cotone, patata, pomodoro)

Biotecnologie per l’agricoltura: green biotech

Le piante transgeniche

Le piante farmaciste:produzione di proteine/farmaci da parte di piante geneticamente modificate. Così dal tabacco transgenico si estrae già un enzima digestivo umano, la lipasi, utilizzato per trattare la mucoviscidosi che colpisce alcuni bambini. È anche possibile produrre l'emoglobina.

Altre finalità delle piante transgeniche- migliorare la qualità del prodotto (modificazione della maturazione dei frutti,

composizione degli olii vegetali, incremento o diminuzione della percentuale di amidi o altri polisaccaridi, functional foods)

- migliorare le caratteristiche nutrizionali dell’alimento (salubrità dei frutti, diminuzione della tossicità alimentare e del potere allergenico, aumento delle componenti nutritive come nel caso del golden rice, arricchito con vitamina A, e della protato, patata a elevato contenuto proteico.

Applicazioni in campo agro-alimentare:gli OGM in tavola

Dal 1994, quando comparve il primo pomodoro modificato, a oggi, gli oltre 1300 geni sperimentati hanno generato almeno 300 fenotipi distinti in specie quali mais, colza, soia, patata, pomodoro, cotone, tabacco, barbabietola, riso, grano tenero, abete, arachide, betulla, cocomero, vite, orzo, melanzana e molte altre.

Nella maggior parte dei casi, le modifiche genetiche introdotte e ormai diffuse riguardano due caratteri soltanto: la resistenza agli erbicidi (72%) e la tossicitàverso le larve infestanti (27,8%).

Tra i più importanti cibi modificati geneticamente sono:

• il pomodoro

• il riso

• la patata

• il salmone

• la zucchina

• il mais

• la soia

Le biotecnologie per l'ambiente

- biorisanamento (bioremediation) del suolo e delle acque inquinati dacomposti tossici (petrolio, gomme, vernici, isolanti elettrici, tessuti, metalli, ..)

- fitorisanamento

- smaltimento dei rifiuti

- estrazione di minerali

- diagnostica ambientale: sistemi diagnostici raffinati e sensibili in grado di rilevare, in tempo reale, il grado di inquinamento del suolo o delle acque

Ceppi naturali, o ingegnerizzati, di microrganismi appositamenteselezionati sono in grado di degradare rapidamente le sostanze inquinanti

Piante transgeniche per opere di bonifica

Sono state create piante transgeniche sensibili al biossido di azoto che viene rilasciato dalle mine nel suolo. In presenza di tale sostanza le foglie cambiano colore da verde a rosso. Si potrebbero usare queste piante per bonificare numerose aree del mondo in cui vi sono mine antiuomo.

Le biotecnologie per l’industria

White BiotechLe Biotecnologie industriali utilizzano mezzi biologici per la produzione di un prodotto commerciale o di consumo di massa.

Lo scopo è fondamentalmente quello di rispondere all’esigenza di prodotti a ridotto impatto ambientale. In questo contesto, un ausilio prezioso è costituito per l’appunto dagli enzimi:

- enzimi per detersivi (essenzialmente proteasi e lipasi)

- enzimi nell'industria tessile

- enzimi nell'industria alimentare, principalmente nella trasformazione del mais, dei latticini, della carne e nella produzione di bevande, nella produzione di alimenti adatti a particolari esigenze dietetiche

- biomateriali (bioplastica)

- bioenergie

… nel campo delle biotecnologie alimentari

Esempi di ricerca biotech in UNICAM

Ministero della Salute, 2005

Gli studi UNICAM:

- Studio della microflora intestinale umana

- Isolamento e caratterizzazione di microrganismi con proprietà probiotiche

I Probiotici nell’alimentazione

Favoriscono l’equilibrio della flora intestinale

Stimolano le difese immunitarie

Prevengono e alleviano le allergie

Attenuano le infiammazioni

Generazione di nuove ideeGenerazione di nuove idee

Sviluppo del prodottoSviluppo del prodotto

Brevetto Italiano n. RM2004A000166

Brevetto Europeo n. EP 1743042 B

Miscela 1:1 Miscela 1:1

Lactobacillus rhamnosusLactobacillus rhamnosus IMC 501IMC 501®®

Lactobacillus paracaseiLactobacillus paracasei IMC 502IMC 502®®

Penetrazione del mercatoPenetrazione del mercato

Integratore

probiotico in

capsule

Integratore probiotico

in barrette di

cioccolato

Formaggi

tipici con

probiotici

Yogurt e latte fermentato

con probiotici

Linee di prodotti

funzionali probiotici

… in campo biomedico

Vaccinazione a DNA Antitumorale

In genere un vaccino è costituito da un organismo patogeno intero, privato del suo potenziale infettivo, o parte di esso. Oggi grazie alle nuove tecnologie di biologia molecolare (tecniche di clonaggio per ottenere DNA ricombinante) è possibile generare un nuovo tipo di vaccino:il vaccino a DNA.

Un vaccino a DNA è costituito da un anello di DNA (plasmide) di origine batterica che contiene le informazioni per indurre una risposta immunitaria: non è l’antigene proteico ad essere iniettato, ma la sequenza di DNA che lo codifica.

E’ possibile realizzare vaccini a DNA contro antigeni tumorali, specificamente espressi dalle cellule malate, per indurre una risposta immunitaria in grado di uccidere le cellule maligne.

1. Preparation of DNA vector

and insert;

2. Digestion of vector and insert

with appropriate restriction

enzymes;

3. Ligation of cut DNA vector

with insert;

4. Transformation of E.coli;

5. Selection of clones containing

the recombinant vector.

Costruzione di un vaccino a DNA

Produzione dei Vaccini a DNA nei Batteri

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Età dei topi in settimane

Richiami del vaccino

Topi non vaccinati

Topi vaccinati 2 volte

Topi vaccinati 6 volte

Topi vaccinati 8 volte

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)

Sono stati realizzati vaccini a DNA contro il tumore al seno, in particolare contro un antigene tumorale, chiamato Her2, responsabile dell’aggressività di tale tumore.L’efficacia di questi vaccini è stata testata su topi transgenici che sviluppano spontaneamenteil tumore mammario.In questi animali, i vaccini più efficienti sono in grado di bloccare o ritardare l’insorgenza o la progressione della patologia.

Vaccinazione a DNA Antitumorale

… in campo ambientale

Obiettivi:1.Realizzare dei dispositivi, basati su tecniche molecolari, per il monitoraggio biologico delle acque dolci (fiumi e laghi);2.Rilevazione di microrganismi recanti geni per la produzione di tossine.

Progetto: Sviluppo di microarray universali per la rilevazione di virus, batteri patogeni e cianobatteri mediante l’uso di sonde a DNA.

Immagini di fluorescenza di chip a DNA analizzati con laser scannerEffetto di fioriture algali dovute al cianobatterio

Plankthotrix rubescens (produttore di tossine)

Virus S1HIM42 Salmonella: un batterio patogenoCianobatterio isolato dal Lago

Fiastrone (MC)

Cellule di Tetrahymena come biosensori per

il biomonitoraggio ambientaleCaratterizzazione del promotore

inducibile

(Barchetta et al, 2008, La Terza et al., 2009, Yu et al, 2012)