Genetica: ingegneria genetica e applicazioni commerciali nelle piante

Introduzione all'Ingegneria Genetica

GENETICA 10/02/2021 Potenziale pre-appello il 12/05 Affronteremo parti più specifiche -> come funziona l'ingegneria genetica, come possiamo introdurre mutazione dei geni e come modificare il patrimonio genico di una specie. L'ingegneria genetica comporta il trasferimento di geni e quindi di tratti che i geni definiscono, tra organismi differenti. L'ingegneria genetica si applica al miglioramento delle colture vegetali per la produzione alimentare ed ai processi industriali, con evidenti ricadute a livello economico ma anche ambientale.

Obiettivi del Corso

• Analisi delle ricadute economiche e pratiche della produzione di organismi ingegnerizzati, sia in ambito industriale/produzione che in ambito ambientale;
• Analisi di costi/benefici dell'ingegnerizzazione genetica in termini di produzione alimentare;
• Esplorare le tecniche che hanno permesso l'ottenimento di prodotti alimentari ingegnerizzati;
• Introduzione alle nanotecnologie focalizzate all'impiego in agricoltura;
• Illustrazione di esempi focalizzati sulla produzione alimentare con ricadute a livello economico.

Lezione 1: Ingegneria Genetica e Caratteristiche Commerciali

LEZIONE 1 INGEGNERIA GENETICA E CARATTERISTICHE COMMERCIALI PIU' DIFFUSE Argomenti certamente materia d'esame poiché sono aspetti fondamentali de corso. Documento nº1 (introduttivo e da rileggere alla fine)

Definizione di Ingegneria Genetica

Definizione ingegneria genetica -> è quella branca della biologia che, basandosi sui principi della genetica, si occupa di manipolare geni e genomi di organismi tramite diverse tipologie di intervento. Cioè è la manipolazione artificiale di geni e genomi per produrre sostanze d'interesse che normalmente non sarebbero prodotte da quell'organismo. Le biotecnologie sono l'applicazione dell'ingegneria genetica per la produzione di beni e servizi.

Tipologie di Intervento nell'Ingegneria Genetica

L'ingegneria genetica può essere effettuata attraverso tre tipologie di intervento, sono le possibilità che abbiamo dal punto i vista tecnico per poter manipolare effettivamente un gene o un genoma.

1. Inserire un gene all'interno di una specie: ho una specie A e una specie B, decido di prendere un gene dalla specie A e di inserirlo nella specie B; questa operazione è detta transgenesi, la quale produce GMO.
2. Modificare o mutare un gene già presente: possono essere inserite delle mutazioni, cioè dei cambiamenti nelle sequenze dei geni che, con una certa incidenza, possono avvenire. Il tasso di mutazione naturale o mutazione spontanea è molto basso. L'ingegneria genetica è in grado di aumentare il tasso di mutazione e renderlo più visibile dal punto di vista fenotipico. Porta a diverse modificazioni del DNA e delle proteine espresse che avranno poi la loro funzione. Può essere fatto in modo randomico piuttosto che specifico, inserendo una particolare mutazione.
3. Modificare l'espressione genica: aumentare o diminuire l'espressione di un particolare gene comporta la modifica di un particolare processo.

Dogma Centrale della Biologia Molecolare

Il dogma della biologia molecolare è che la direzione è univoca, perciò si parte dal DNA-> mRNA-> proteina. Esistono, però, delle polimerasi che permettono dall'RNA di tornare indietro, si chiamano retrostrascrittasi. Schema del processo di ingegneria genetica di base che include la replicazione e l'espressione del DNA ricombinante secondo il dogma centrale della biologia molecolare. IL "DOGMA CENTRALE" DELLA BIOLOGIA Passaggio dell'informazione contenuta nel DNA mediante la sintesi di RNA Trascrizione DNA RNA Proteine DNA Traduzione Costruzione della catena polipeptidica

Strumenti dell'Ingegneria Genetica

Strumenti dell'ingeneria genetica: strumenti operativi e funzionali, parliamo di enzimi, cioè proteine. Sono tool che permettono di moltiplicare le polimerasi, o enzimi di restrizione o endonucleasi, o enzimi di lipasi capaci di rilegare il DNA tagliato quando e dove lo si vuole inserire in un'altra specie, possono avere anche una funzione catalitica. Abbiamo quegli strumenti che servono a replicare una sequenza piuttosto che a copiarla e cucirla.

Prodotti Vegetali della Biotecnologia

Documento nº2 Plant products of biotechnology (http://.isaaa.) Modificazione ed aspetti che sono stati ripresi dal punto di vista applicativo e che hanno trovato un'applicazione dal punto di vista commerciale, vediamo le caratteristiche commercialmente più diffuse.

1. Resistenza ad insetti;
2. Resistenza a malattie;
3. Tolleranza ad erbicidi;
4. Biofortificazione o profilo nutrizionale alterato;
5. Aumentata storage life: allungamento della vita del prodotto dal punto di vista commerciale.

Specie Vegetali Modificate

Le specie che hanno effettivamente un riflesso dal punto di vista agronomico nel mercato. Mais, riso, soia e frumento sono state fra le prime cultivar sottoposte a tentativi di modifica. Inoltre troviamo: cotone, lino, papaya, canna da zucchero, pomodoro, camola ecc ... Quali sono i particolari interventi che queste piante hanno subito? Tolleranza ad erbicidi, resistenza a particolari malattie (riguarda la parte dei frutti), ritardato l'invecchiamento o maturazione del prodotto, resistenza a particolari insetti e patogeni. Per il mais c'è anche la tolleranza a particolari stress abiotici.

Esempi di Modificazioni Genetiche

1) Soia

Tolleranza agli erbicidi - È un caso di rilievo poiché nel tempo si è pensato che una delle migliori caratteristiche, dal punto di vista della produzione, fosse rendere una cultivar resistente agli erbicidi. Se la pianta è resistente sopravvive all'erbicida e si riescono ad eliminare le contaminazioni e specie non desiderate e fai si focalizza solo sulla produzione della specie d'interesse. Come funziona? Il Glifosato è una molecola che emula una molecola che è usata come intermedio durante un intermedio biosintetico delle piante. Lo shikimato è un intermedio di sintesi da cui parte un pathway di sintesi fondamentale che si occupa di sintetizzare gli aminoacidi aromatici (tre dei 20 mattoncini che servono per produrre qualsiasi tipo di proteina). È un pathway proprio solo delle piante. Esiste quindi un enzima chiamato EFP. Il Glifosato mima l'intermedio che andrebbe a sfruttare questo particolare enzima. Il Glifosato come erbicida è in grado di toccare quell'enzima e si blocca la catena di biosintesi degli amminoacidi aromatici e, dato che la pianta non è più in grado di produrre proteine, muore.

• Resistenza ad alcuni insetti Negli anni si è scoperto che c'è un particolare batterio, il Bacillus thuringensis, che è in grado di produrre una tossina che se ingerita da particolari larve crea dei malfunzionamenti nelle larve provocandone la morte. Il gene di questa tossina è stato inserita all'interno della pianta. Se l'insetto va a mangiare la foglia della pianta muore poiché ingerisce la tossina. Questo porta a un vantaggio della fitness della pianta.
• Produzione di Acido Oleico. Biofortificazione. La soia, normalmente, già produce l'acido oleico; è stata aumentata la produzione variando l'espressione genica di geni che sono coinvolti nella sintesi di quell'olio.

2) Pomodoro

• Delayes-ripening. Maturazione che viene ritardata. All'interno delle piante esistono degli ormoni vegetali che regolano moltissime funzioni. Ad esempio esistono ormoni che regolano la 2produzione delle radici piuttosto che della chioma ecc .. L'etilene è quello che regola la maturazione dei frutti e la senescenza delle foglie. Si occupa della gestione di quella che è la parte più avanzata del ciclo della pianta. Può far maturare anche più velocemente la frutta. Se gestisco l'etilene gestisco la maturazione dei frutti e dunque posso diminuire la velocità con cui matura. Basta poi per farli maturare spruzzarli con l'etilene prima del posizionamento sugli scaffali.

3) Patata

• Resistenza a particolari virus. I virus come strategia per riprodursi devono entrare all'interno delle cellule ospiti e, sfruttando gli impianti di produzione della sintesi proteica, andare ad utilizzare i loro geni per andare a riprodursi in modo esponenziale all'interno delle cellule ospiti. I virus si sono evoluti per adattarsi nel modo migliore a quelli che sono i meccanismi di trascrizione e traduzione della cellula ospite. Si è andati ad interagire su uno di quei meccanismi: riconoscere gli RNA di questo particolare virus in modo da renderli meno affini con la pianta. Riducendo la compatibilità la patata diventa resistente.
• Basso contenuto di acrilammide. Molecola che è un prodotto di scarto nel momento in cui le patate vengono cotte ad alta temperatura. Si è andata ad agire su quegli enzimi che sintetizzano acrilamide e hanno fatto si di produrre meno acrilammide. Ciò fa si che le patate cotte ad alta temperatura tendono a diventare più scure e quindi sono commercialmente meno appetibili.

4) Canola

• Acido Erucico. Esempio interessante perché mette in contatto il breeding genetico naturale e le tecniche di transgeniche. È una cultivar brevettata di Colza che è in grado di produrre meno Acido Erucico. È un componente prodotto da pathway biosintetici della colza che si è scoperto essere tossico o cancerogeno. Tramite le risorse genetiche della colza si è ottenuta questa variante chiamata Canola.
• Acido Laureato. Hanno anche migliorato la produzione di un Acido Laureato che ha diversi utilizzi nella produrzione di cioccolato e caffè.

Transgenesi e Cisgenesi

Transgenesi: è il passaggio di un particolare gene da speci che non sono in grado di incrociarsi tra loro in natura (es. Bacillus thuringensis). Cisgenesi: è il passaggio di un particolare gene tra due piante che in natura potrebbero incrociarsi ma comunque scelgo di andare a prendere specificatamente quel gene ed inserirlo nell'altra specie senza che avvenga un incrocio naturale.

Benefici e Rischi degli Organismi Geneticamente Modificati

Documento nº3 Benefici e rischi associati ai prodotti alimentari geneticamente modificati. Benefici e vantaggi associati alla modificazione genica. Gli organismi ingegnerizzati hanno certamente dei vantaggi dal punto di vista del fitness o nella produzione di particolari prodotti. Ma a questo va associato un potenziale rischio nell'introduzione di caratteristiche che sono diverse da quelle della specie di base. Per quanto riguarda la tossina BT ci si è domandati se c'è un rischio. Si sono ottenuti risultati molto discordanti, la maggior parte dice che non ci sono rischi. Procedure sulla valutazione del rischio che vanno a controllare tutta la catena di produzione.

Impatto Socio-Economico della Biofortificazione

Documento nº4 L'impatto socio-economico della biofortificazione attraverso la modificazione genetica. Inserisco delle caratteristiche extra che non c'erano prima nella specie, es. il Goldenrice. Pathway biogenetico per produrre la vitamina A. Porta nuove caratteristiche nella cutivar che ha ripercussioni anche dal punto di vista dei nutrienti che sono contenuti nel riso. È interessante anche sottolineare come alcuni tipi di modificazione abbiano portato ad un grande dibattito: quanto si sarebbe disposti ad accettare l'introduzione di un particolare beni che derivano da tecnologie GMO. Nella biofortificazione il modo di percepire il prodotto ha dei riflessi molto forti sulla commercializzazione. 3