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Le Biotecnologie nelLe Biotecnologie nel passato, presente e futuro passato, presente e futuro

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Centro di Ricerca e SviluppoDal 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

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all’intensificazione del rapporto tra il mondo accademico e l’industria

all’incremento dell’interazioni tra mercato e ricerca scientifica

Il raggiungimento di questi obiettivi ha condotto:

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

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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.

Dopo 20 anni possiamo dire che:

Per BiotecnologiaBiotecnologia si intende

l’utilizzazione progettuale dei sistemi

biologici per ottenere beni e servizi

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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

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Pietre miliari della biotecnologia II parte

• 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

• 1973

• 1975

• 1975

• 1997

• 2000

• 2001

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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.

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Tra le tecniche avanzate il clonaggio molecolare ha

rappresentato:

•La possibilità di ottenere nuove molecole di interesse alimentare

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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

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LA TECNICA DEL CLONAGGIO LA TECNICA DEL CLONAGGIO GENICO NECESSITAGENICO 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.

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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.

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Piante transgeniche

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

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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.

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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.

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Metodo dell'Agrobacterium

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

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Piante transgeniche

Metodo dell'Agrobacterium

Metodo del cannone

Metodo dell’elettroperforazione

Metodo dell’embriogenesi

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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.

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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.

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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.

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•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?

OGMI nostri dubbi:I nostri dubbi:

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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.

OGM

I nostri dubbi:I nostri dubbi:

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““Che il nutrimento sia la tua Che il nutrimento sia la tua medicina e la medicina il tuo medicina e la medicina il tuo

nutrimento"nutrimento"

così recitava Ippocrate

più di 2400 anni fa.

I Cibi Funzionali

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Sono i cibi con comprovata utilità per la salute

Essi si collocano tra cibo e farmaco

Cosa sono e dove si collocano i cibi funzionali?

cibi funzionali

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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.

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.

I radicali liberi

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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  

Meccanismo di produzione dei radicali liberi

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In sintesi:

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L’organismo controlla e inattiva i RL presenti al suo interno con una strategia complessa, multifattoriale.

Gli enzimi coinvoli: la SOD (superossidodismutasi), la Catalasila 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.

Difese intrinseche del nostro organismo

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Quindi in natura gli antiossidanti si classificano

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Le esperienze fatte nel settore biotecnologico hanno

riguardato:

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BiotecnologieProgetti 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.

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BiotecnologieProgetti 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.

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BiotecnologieProgetti 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.

 

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BiotecnologieProgetti 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.

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BiotecnologieProgetti 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.

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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.

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Biotecnologie Progetti e prodotti

Conservazione biologica e preparazione di segmenti e frutti interi di agrumi per il consumo

fresco

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Finalità del progetto:

Protezione biologica contro i patogeni causa di marciumi

Progettazione e realizzazione di una macchina sbuccia ed affetta agrumi

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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. 

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Sicurezza degli alimentiProgetti 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

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Sicurezza degli alimentiProgetti 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

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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.

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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.

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La valorizzazione dei prodotti ortofrutticoli tipici dell’area mediterranea attraverso la:

Riduzione dei residui di fitofarmaci sul frutto.

Protezione biologica, fisica e chimica non convenzionale contro i patogeni causa di marciume.

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Valutazioni comparative tra arance bionde e pigmentate per 100g di

prodotto

CULTIVARSValencia Sanguinello Tarocco Moro

Proteine (g) 1 1 0,8 0,7Carboidrati (g) 9,2 11 10,4 10,4Vitamina C (mg) 33 43,2 54,1 50,6Antociani (mg/ l) 0,1 80,41 68,32 115,94

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Gli antociani e la vitamina C sono

un cocktail di molecole attive che prevengono gravi patologie e attivano le difese

immunitarie

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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.

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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

Una fetta di agrume pigmentato:

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Valutazioni comparative tra arance bionde e pigmentate per 100g di

prodottoCULTIVARS

Valencia Sanguinello Tarocco MoroProteine (g) 1 1 0,8 0,7Carboidrati (g) 9,2 11 10,4 10,4Vitamina C (mg) 33 43,2 54,1 50,6Antociani (mg/ l) 0,1 80,41 68,32 115,94

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Un prodotto sano e naturale: Un prodotto sano e naturale: l’arancia biologica pronta al l’arancia biologica pronta al

consumo.consumo.Prodotto di IV gammaProdotto di IV gamma

Il risultatoIl risultato

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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?

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Si parte da dati certiIl 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.

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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

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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 ionicaTemperatura pH

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Terminologia

DNA ChipOligonucleotide

based DNA arraysDNA microarrayGene chipGenome chip Microarrays (200

)Macroarrays (300

)

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Esistono due varianti del DNA microarray

DNA chipSistema meccanico di posizionamento di oligonucleotidi (da 20 a 25 pb) assemblati su di una microgriglia di silicio

DNA MicroarraySistema meccanico di posizionamento di cDNA(geni o frammenti da 500-5000 pb) assemblati su silicio, su vetro, nylon ed altre matrici

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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

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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.

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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

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Le Biotecnologie:

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