Biotecnologie: origine, evoluzione e applicazioni dei biosensori

Biotecnologie: Origine ed Evoluzione

BIOTECNOLOGIEOrigine ed evoluzione delle biotecnologie Tipi di biotecnologie

Biotecnologie Tradizionali

TRADIZIONALI Tecniche senza consapevolezza scientifica

• Produzione di bevande alcoliche, pane, yogurt, Formaggi
• Selezione di specie animali e vegetali

Biotecnologie Moderne

MODERNE Dopo le scoperte sul ruolo del DNA

• Ingegneria genetica
• Editing genomico
• Sequenziamento
• Biologia sintetica Necessarie riflessioni su biosicurezza, etica e morale

Aree di Applicazione delle Biotecnologie

• Produzione di proteine a scopo terapeutico
• Sviluppo di vaccini e nuovi metodi per la somministrazione
• Produzione di anticorpi monoclonali
• Diagnosi di malattie genetiche e infettive
• Modifiche genetiche di animali per la produzione di proteine ricombinanti o tessuti e organi
• Modifiche genetiche di piante per la resistenza a patogeni e cambiamenti climatici
• Identificazione delle "impronte genetiche" (DNA fingerprinting)"
• Utilizzo di microrganismi per la bonifica di siti inquinati
• Identificazione di microrganismi

Le biotecnologie possono essere distinte per area di applicazione

Green Biotech

• Monitoraggio ambientale
• Resa delle colture
• Prevenzione degli inquinamenti
• Biorimedio

White Biotech

• Antibiotici
• Amminoacidi e proteine
• Green chemistry

Red Biotech

• Diagnosi
• Terapie
• Vaccini

Definizione di Biotecnologia

BIOTECNOLOGIA: utilizzo commerciale o industriale di cellule, organismi, componenti di un organismo o altri sistemi biologici per ottener un prodotto o un processo destinati ad un uso specifico a beneficio dell'umanità.

Applicazioni per Settore

Agricoltura

AGRICOLTURA COLTURE RESISTENTI ALLA SICCITÀ PRODUZIONE DI BIOFARMACI IN PIANTA MIGLIORAMENTO VARIETÀ VEGETALI GENETICA FORENSE EDITING GENETICO VACCINI SICUREZZA ALIMENTARE INSULINA DIAGNOSTICA AGRARIA

Medicina

INGEGNERIA TISSUTALE DETERGENTI CON ENZIMI FARMACI ORFANI PER MALATTIE RARE BIOPLASTICA TERAPIE GENICHE E CELLULARI BIOPRODOTTI DIAGNOSTICA E COMPANION DIAGNOSTICS BIOCARBURANTI MEDICINA PERSONALIZZATA PRINCIPI ATTIVI PER LA NUTRACEUTICA PREVENZIONE

Industria e Ambiente

INDUSTRIA E AMBIENTE PRINCIPI ATTIVI PER LA COSMECEUTICA BIOREMEDIATION SALUTE

Biotecnologie nel Settore Agrario e Zootecnico

Gli Animali Transgenici

La possibilità di inserire e far esprimere geni esogeni di qualsiasi provenienza anche in organismi animali ha permesso di ottenere animali transgenici. Queste tecniche hanno lo scopo di utilizzare alcuni animali (es. suini) per produrre elevate quantità di proteine ricombinanti che possono essere sfruttate e commercializzate come farmaci a livello industriale. Il perfezionamento delle tecniche di editing del genoma ha aperto nuove possibilità all'utilizzo di animali modificati geneticamente come fonti di tessuti e organi da trapiantare nell'uomo attraverso gli xenotrapianti o per essere usati come base di studio delle malattie genetiche. Le tecniche per ottenere animali transgenici sono diverse ma tutte prevedono l'inserimento di un gene esogeno in una fase precoce dello sviluppo embrionale in modo da aumentare la probabilità che il gene inserito sia acquisito dalla maggior parte delle cellule e sia trasmesso alla progenie.

Le Piante Transgeniche

Le tecniche del DNA ricombinante hanno permesso di velocizzare le procedure di miglioramento genetico rispetto ai metodi tradizionali, basati su incrocio e selezione, per ottenere piante con caratteristiche particolari. La caratteristica di essere totipotenti, cioè rigenerare in vitro una nuova pianta partendo anche da un tessuto già differenziato, è propria delle cellule vegetali e ha facilitato notevolmente il compito dei ricercatori. Sono state così create numerose piante (tra cui pomodori, patate, mais, soia e tabacco) modificate geneticamente per:

• aumentare la resistenza a parassiti e patogeni;
• ottenere piante resistenti agli erbicidi;
• migliorare le proprietà nutrizionali;
• produrre molecole di interesse commerciale e farmacologico.

Biotecnologie nel Settore Farmacologico

La Terapia Genica e i Farmaci Cellulari

L'approccio farmacologico tradizionale prevede la cura dei sintomi di una malattia genetica, ma non ne rimuove la causa. Con le tecniche di ingegneria genetica e il sequenziamento del genoma umano oggi è più semplice correlare fenotipi patologici con alterazioni di geni e quindi mettere a punto terapie mirate, basate sulla terapia genica che permette di modificare un gene mutato in modi diversi, tra cui:

• inserire una copia del gene non mutato;
• correggere alleli mutati mediante tecniche di genome editing che, attraverso la ricombinazione omologa, permettono di correggere le singole mutazioni presenti e implicate nella patologia;
• inattivare l'espressione del gene mutato.

Sistema vettore Proteina non funzionante Proteina funzionante Nucleo Nucleo Cellula bersaglio Cellula bersaglioPer trasferire geni nell'uomo è necessario veicolarli e mediante vettori apatogeni, in grado di riconoscere le cellule umane in cui sia possibile l'espressione del DNA esogeno. Per il trasferimento dei geni nell'uomo attraverso questi vettori possono essere usati due metodi

• in vivo: somministrazione diretta nel paziente con vettori virali o liposomi.
• ex vivo: prelievo di cellule, modifica genetica, e reintroduzione nel paziente.

La terapia in vivo fu utilizzata per curare una rara malattia genetica (immunodeficienza combinata grave - bambini nella bolla). Problemi: forti reazioni immunitarie di alcuni pazienti nei confronti del vettore che avrebbe dovuto curarli e sviluppo di leucemia dopo la terapia genica. Lavorando ex vivo (e quindi su colture cellulari) è possibile selezionare le cellule prima di impiantarle nel paziente e il ricorso alle cellule staminali ha portato di fatto alla soluzione del problema della permanenza di cellule sane nel paziente. Le cellule staminali sono cellule non differenziate in grado di replicarsi all'infinito e di diventare qualsiasi altro tipo di cellula dell'organismo. Possono essere fatte crescere in vitro in laboratorio, dove possono essere anche geneticamente manipolate per i correggere geni mutati presenti.

Gene Editing o Genome Editing

Correzione del Gene o del Genoma

si intende la possibilità di modificare o sostituire con grande precisione piccole parti della sequenza del DNA degli organismi viventi utilizzando diverse tecniche e senza spostarla dalla sua posizione naturale nel genoma dell'organismo vivente. A differenza delle prime tecniche * di ingegneria genetica che casualmente inserivano materiale genetico in un genoma ospite, l'editing genomico agisce in siti specifici. * Gli enzimi di restrizione hanno dei limiti uno su tutti il modo in cui tagliano cioè tagliano in un punto prestabilito e noi non siamo in grado di modificarli per farli tagliare un altro punto al nostro piacimento. È vero che diversi enzimi di restrizione tagliano punti diversi e quindi possiamo scegliere la sequenza da tagliare ma non possiamo e non vogliamo tagliare ogni sequenza. N.B. L'ingegneria genetica si basa su processi che avvengono in natura e che noi sfruttiamo a nostro vantaggio per scopi a volte molto lontani da quelli per cui l'evoluzione li ha concepiti, es. gli enzimi di restrizione i batteri li hanno per proteggersi dai virus noi li usiamo per clonare i geni dei vettori, diagnosticare malattie genetiche, produrre proteine, ecc ...

Studiando alcuni batteri utilizzati per la preparazione dello yogurt è stato osservato che in molte specie esiste una forma di di immunità che si basa su sequenze dominate CRISPR (Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats - Sequenze Ripetute Palindrome Brevi Raggruppate a Intervalli Regolari) in cui sono presenti ripetizioni palindromiche di gruppi di DNA estraneo disposti a intervalli regolari. Queste sequenze CRISPR sono in grado di legare l'endonucleasi Cas-9 e di guidarle verso i DNA estranei appartenenti ai fagi e ne favoriscono la degradazione. Nel sistema CRISPR/Cas9 (pronunciato "crisper-cas-nain") la proteina Cas9 svolge la sua funzione di forbice molecolare aiutando questi microorganismi a proteggersi da virus patogeni. Le genetiste Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier hanno dimostrato sperimentalmente che questo sistema CRISPR-Cas9 è funzionante anche negli eucarioti e che si possono utilizzare sequenze CRISPR come guide per portare l'endonucleasi Cas9 a tagliare DNA a livello di sequenze specifiche scelte dai ricercatori. La scoperta del sistema CRISPR/Cas9 è valsa alle due scienziate il premio Nobel per la chimica del 2020. Oggi il metodo CRISPR-Cas9 è un 'applicazione di uso corrente nella ricerca biomedica per modificare il genoma di batteri, piante e animali e il ricercatore può scegliere su quale porzione del DNA intervenire e che tipo di modifica fare.

Il Sistema CRISPR/Cas9

Cas9 RNA guida gene da inserire

• Il sistema CRISPR/Cas9 è un approccio di ingegneria genetica: consente di apportare modifiche al DNA delle cellule. In particolare, permette di modificare, rimuovere o aggiungere una specifica sequenza di DNA.
• É stato sviluppato a partire dalla scoperta che il semplice sistema immunitario dei batteri distrugge i virus frammentandone in modo specifico e mirato il DNA.
• Si basa sull'azione congiunta di una molecola di RNA guida e della nucleasi Cas9.
• È già utilizzato nella ricerca di base. Di recente alcune sue applicazioni sono state approvate in alcuni Paesi per uso clinico, per correggere mutazioni genetiche all'origine della ß-talassemia. una malattia ereditaria. E allo studio per correggere altre mutazioni genetiche responsabili di diverse malattie ereditarie e tumori.

In Cosa Consiste il CRISPR/Cas9

Il sistema CRISPR/Cas9 è un approccio che consente di ingegnerizzare il genoma di una cellula. Grazie all'utilizzo di una sorta di "forbice molecolare" è possibile tagliare il DNA in corrispondenza di una sequenza a scelta per eliminare un frammento di DNA ed eventualmente sostituirlo con un altro. Il "taglia e cuci" che ne risulta è detto "gene editing" o "genome editing" (correzione del gene o del genoma). Rispetto ad altre tecniche che possono essere applicate a questo scopo, il sistema CRISPR/Cas9 è facile da utilizzare, rapido ed economico e ha perciò raccolto grande interesse da parte dei laboratori di ricerca. Quando un batterio incontra del DNA estraneo, per esempio di un virus, integra un frammento di tale DNA nel proprio genoma, in corrispondenza di una regione detta locus CRISPR (Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats). Ciò permette al batterio di conservare memoria dell'incontro con virus patogeni. Il batterio reagisce a una nuova infezione trascrivendo un mRNA (CRISPR RNA, crRNA), che contiene queste sequenze, e un altro mRNA chiamato tracrRNA (trans- activating crRNA). Queste due molecole si legano al DNA virale in corrispondenza della sequenza bersaglio, consentendo l'ancoraggio di Cas9 (CRISPR-associated protein 9), un enzima con attività nucleasica, cioè in grado di tagliare gli acidi nucleici che compongono il materiale genetico e disattivare così il virus.