La nuova biologia.bluSeconda edizione

David Sadava, David H. HillisH. Craig Heller, Sally Hacker

Sadava et al, La nuova biologia.blu – © Zanichelli 2020

Capitolo B5

L’ingegneria genetica e le biotecnologie

Temi del capitolo

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1. Dalle biotecnologie tradizionali alle biotecnologie moderne /1

Il termine «biotecnologia» indica l’utilizzo di organismi viventi per realizzare processi e prodotti utili alla società.

Le biotecnologie tradizionali si basano sull’impiego di organismi selezionati tra quelli già disponibili in natura.

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Un esempio è l’uso di lievito per produrre bevande e alimenti.

1. Dalle biotecnologie tradizionali alle biotecnologie moderne /2

Le biotecnologie moderne permettono di ottenere organismi con le caratteristiche desiderate modificando i singoli geni.

Gli organismi geneticamente modificati (OGM) sono organismi il cui genoma èstato modificato con l’ingegneria genetica.

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Rispondi

1. Che cosa si intende con il termine «biotecnologie»?2. Qual è la differenza tra biotecnologie tradizionali e moderne?3. Che cos’è un OGM?

Scegli le parole

1. Le prime biotecnologie tradizionali avevano lo scopo di migliorare la fermentazione / fertilità.

2. Il miglioramento ….......... è un obiettivo delle biotecnologie.

Ora tocca a teCerca informazioni in questo volume e in Rete sulla storia delle

biotecnologie e crea un poster (cartaceo o digitale) in cui riassumi e spieghi gli aspetti che ritieni più importanti nel passaggio alle biotecnologie moderne.

DATI IN AGENDA Breve storia biotecnologica

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2. Lavorare con il DNA /1

La tecnologia del DNA ricombinante è l’insieme delle tecniche di laboratorio che permettono di isolare e tagliare brevi sequenze di DNA.

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Per tagliare il DNA in punti specifici i biotecnologi usano gli enzimi di restrizione che riconoscono precise sequenze di restrizione.

2. Lavorare con il DNA /2

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L’elettroforesi su gel separa i frammenti di DNA in base alle loro dimensioni.

2. Lavorare con il DNA /3

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Grazie agli enzimi DNA ligasi è possibile unire i frammenti di restrizione e ottenere un DNA ricombinante.

2. Lavorare con il DNA /4

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Oltre al gene di interesse, un vettore plasmidico contiene:

•un’origine della replicazione;•un gene reporter per la resistenza agli antibiotici;•sequenze di riconoscimento per enzimi di restrizione.

Le sequenze di riconoscimento si una vicina all’altra in una regione del plasmide chiamata sito multiplo di clonaggio, dove verrà inserito il frammento di DNA esogeno.

2. Lavorare con il DNA /5

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La procedura che permette di ottenere molte copie dello stesso gene utilizzando cellule vive si chiama clonaggio.

2. Lavorare con il DNA /6

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La PCR (reazione a catena della polimerasi) è un sistema automatizzato per l’amplificazione del DNA in provetta.

2. Lavorare con il DNA /7

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Ottenere l’impronta genetica di un individuo significa identificare una serie di polimorfismi nella sequenza del suo DNA che lo renda assolutamente riconoscibile e distinguibile.

I polimorfismi sono varianti di tratti di DNA che si presentano con una certa frequenza nella popolazione.

Si distinguono STR (ripetizioni brevi in tandem) e SNP (polimorfismi da singolo nucleotide).

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Rispondi

1.Che funzioni svolgono gli enzimi di restrizione?2.Che cosa deve essere presente in un vettore per il clonaggio?3.Che cosa si intende con «SNP»?

Scegli le parole

1.Gli enzimi che consentono di unire i frammenti di restrizione sidicono …...................... 2.La creazione di organismi identici è detta clonaggio / clonazione.

Ora tocca a teA che cosa serve la PCR? Trova informazioni su questo argomento in questo capitolo oppure in Rete e realizza un poster, un’infograficao un breve video in cui illustri le funzioni e il meccanismo generale.

DIMMI LA TUA! Scena del crimine

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3. Le librerie di DNA /1

Una genoteca è una raccolta di sequenze di DNA. Esistono due tipi di genoteche:

Le librerie genomiche sono collezioni di cloni cellulari contenenti frammenti di DNA genomico.

Le librerie di cDNA raccolgono le sequenze di DNA espresse in una cellula e ricavate dai suoi mRNA.

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3. Le librerie di DNA /2

Le sonde a DNA sono oligonucleotidi marcati con isotopi radioattivi, contenenti una sequenza nota che riconosce e lega un gene contenuto in una libreria di cDNA.

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Rispondi1. Che cosa consente di produrre una libreria di cDNA?2. Che cosa si usa per potere rintracciare una sonda a DNA?

Scegli le parole1. La nitrocellulosa è indispensabile per isolare un cDNA / la

PCR.2. Il legame della sonda al DNA è detto denaturazione /

ibridazione.

Ora tocca a tePuoi imitare, con la tua classe, una libreria a DNA? Parti da qui:

«ogni studente ha una pagina diversa di un libro». Sviluppa questa similitudine spiegandone il significato.

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4. Il sequenziamento del DNA /1

Sequenziare il DNA significa determinare l’identità dei nucleotidi presenti in un frammento di DNA nell’ordine in cui si presentano.

Il sequenziamento del DNA con il metodo Sanger si basa sull’incorporazione di nucleotidi modificati chiamati didesossinucleotidi a una catena nascente copiata dalla DNA polimerasi.

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4. Il sequenziamento del DNA /2

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4. Il sequenziamento del DNA /3

I sequenziatori automatici permettono di sequenziare più frammenti di DNA in contemporanea e con un tasso di errore molto basso.

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4. Il sequenziamento del DNA /4

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Rispondi1. Su quale idea è basato il metodo di sequenziamento elaborato

da Sanger?2. Quali sono i vantaggi dei moderni metodi di sequenziamento?3. Che cos’è una ORF?

Scegli le parole1. I frammenti di DNA si separano grazie a ….............. .2. Nei metodi moderni di sequenziamento, i tratti interessati sono

identificati da codici a barre / sequenze regolatrici.

Ora tocca a teGuarda il video sulla PCR presente in questa lezione e identifica le

principali differenze tra il metodo di Sanger e il sequenziamentoautomatico. Realizza una presentazione di 10 slide che illustri la tua

spiegazione.

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5. Le biotecnologie in campo biomedico /1

Gli antibiotici possono essere considerati i primi farmaci delle biotecnologie tradizionali. Un esempio è la penicillina.

Batteri e piante geneticamente modificati producono una grande varietà di molecole di interesse farmacologico, come l’insulina e gli anticorpi.

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5. Le biotecnologie in campo biomedico /2Utilizzando cloni cellulari di ibridomi cellulari si producono gli anticorpi monoclonali.

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5. Le biotecnologie in campo biomedico /3La terapia genica corregge in modo definitivo i difetti del genoma responsabili delle malattie genetiche.

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5. Le biotecnologie in campo biomedico /4Le cellule staminali sono cellule non ancora differenziate che mantengono la possibilità di dare origine a diversi tipi cellulari e possono essere usati per la terapia genica.

Esistono staminali totipotenti, pluripotenti, multipotenti, unipotenti.

Le cellule staminali embrionali si trovano negli embrioni.Le staminali pluripotenti indotte si ottengono riprogrammando cellule adulte differenziate.

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5. Le biotecnologie in campo biomedico /5

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5. Le biotecnologie in campo biomedico /6

A partire dalle cellule staminali in futuro si potranno ottenere nuovi tessuti o interi organi (medicina rigenerativa).

La medicina di precisione sfrutta il profilo genetico per ottimizzare le terapie.

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Rispondi1. Che cosa sono gli anticorpi monoclonali?2. In che cosa consiste la cosiddetta «terapia genica»?3. Di che cosa si occupa la medicina rigenerativa?

Scegli le parole1. Il primo farmaco ottenuto con il DNA ricombinante fu l’…..........2. Per evidenziare il bersaglio di un anticorpo monoclonale si fa

ricorso a radioisotopi / immunofluorescenza.

Ora tocca a teCerca in Rete o in volumi di testo quanti e quali tipi di cellule

staminali esistono e quali sono i loro eventuali utilizzi in medicina.

Realizza una tabella e un testo riassuntivo di 1000 battute (circa 10 righe).

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6. La clonazione e gli animali transgenici /1

La clonazione è la produzione di organismi geneticamente identici a un organismo di partenza.

La pecora Dolly è stato il primo mammifero a essere clonato, nel 1996.

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6. La clonazione e gli animali transgenici /2Le biotecnologie permettono di creare animali GM.In alcuni casi si inserisce un gene per sintetizzare nuove proteine, creando animali transgenici se il gene proviene da un’altra specie. In altri casi si inattiva un gene per simulare unamalattia genetica.

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6. La clonazione e gli animali transgenici /3La tecnica CRISPR/Cas9 sfrutta un meccanismo di difesa batterico per inserire o eliminare un gene da un punto del genoma.

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Rispondi1. Perché un organismo clonato è identico a quello da cui deriva?2. Quale funzione svolge nei batteri la CRISPR/Cas9?

Scegli le parole1. La produzione di medicinali associata al latte di bovini si dice

pharming / knockin.2. Gli enzimi Cas sono un particolare tipo di endonucleasi /

polimerasi.

Ora tocca a teChe applicazioni potrebbe avere la clonazione animale? Cerca in

Rete casi pratici e proposte teoriche a questo riguardo e presentale in forma di volantino informativo.

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7. Le biotecnologie per l’agricoltura e l’ambiente /1Le piante transgeniche sono piante prodotte da cellule in cui è stato inserito un gene proveniente da un’altra specie allo scopo di far loro acquisire determinate caratteristiche.

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7. Le biotecnologie per l’agricoltura e l’ambiente /2Microrganismi esistenti in natura o geneticamente modificati permettono di risanare ambienti contaminati e di produrre compost a partire da prodotti di scarto.

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7. Le biotecnologie per l’agricoltura e l’ambiente /3I batteri ingegnerizzati utilizzano vie metaboliche opportunamente progettate per produrre biocombustibili a partire da sostanze di origine vegetale.

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Rispondi

1. Qual è il vettore più usato nelle biotecnologie agrarie?2. Quali sono le fasi della produzione di biocarburanti?

Scegli le parole1. Dalla lavorazione degli oli vegetali è possibile ottenere il

bioetanolo / biodiesel.2. Il compostaggio industriale avviene molto spesso all’interno di

…........................

Ora tocca a te

Scrivi un breve articolo a favore e uno contrario alla commercializzazione del Golden Rice. Fai una ricerca in Rete e utilizza informazioni verificate e fonti affidabili.

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