Una gita nella BIOLOGIA MOLECOLARE al   Centro di Ricerca per la Genomica  e Post genomica di Fiorenzuola d’Arda
Gregor Mendel e il    suo orto…                     Gregor Mendel - 1866
Gregor Mendel e il    suo orto…                     Cosa succede                 se incrocio piante                 con ca...
Gregor Mendel e il    suo orto…                     Incrocio caratteri non sono                      Alcuni una pianta dai...
Gregor Mendel e il    suo orto…                …Ma se reincrocio le piante               …il carattere ricompare nelle    ...
La “scoperta”    della  genetica                          x                               P1        P2       …”qualcosa” v...
Il DNA !!!                           Esiste un PRINCIPIO                           TRASFORMANTE che                       ...
La struttura del   Esistono 4 tipi di NUCLEOTIDI:contengono 4 diverse BASI AZOTATE:         DNA !!!              A, T, C, ...
La struttura del       DNA !!!                                              Due filamenti di DNA si                       ...
La struttura del    DNA !!!   Determinati segmenti di DNA        formano i GENI.    “serie” di GENI formano i          CRO...
Dov’è il DNA ??? Il DNA si trova in tutte le cellule degli organismi  viventi. Negli organismi   EUCARIOTI (piante, animal...
Come funziona il DNA ???Informazione  genetica                                                             Funzione       ...
Cos’è una PROTEINA???                                                             Una PROTEINA è unEsistono 21 tipi divers...
Come fa un GENE a “costruire” una PROTEINA???         Dal DNA viene       TRASCRITTA una        molecola di RNA        TRA...
Dal GENE alla PROTEINA: la TRASCRIZIONE          Filamento antisenso RNA polimerasi         RNA polimerasi                ...
Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE La traduzione avviene                   Delle speciali molecole     all’interno dei ...
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Dal GENE alla PROTEINA: il CODICE GENETICO       Il CODICE GENETICO è           uguale in tutti gli   Il linguaggio del DN...
Cosa rende diversi due organismi o due cellule?         Un gene è costituito da due       parti principali: il PROMOTORE  ...
Cosa rende diversi due organismi o due cellule?     Il PROMOTORE è una   sorta di INTERRUTTORE  molecolare che dice al gen...
Cosa rende diversi due organismi o due cellule?regione codificante         La REGIONE   CODIFICANTE contiene  le informazi...
Come si studia il   DNA???            Il DNA può essere                      AMPLIFICATO…                     Per averne g...
Il sequenziamento:                 gli elettroferogrammiCiascun “Picco”corrisponde ad unabase azotata.Ogni picco, quindiog...
Come si studia il   DNA???                        Con l’aiuto di ENZIMI                               (speciali proteine) ...
Cosa sono le BIOTECNOLOGIE?   Applicazioni pratiche delle nostre conoscenze  sugli organismi viventi                      ...
Cosa sono le     Le BIOTECNOLOGIE TRADIZIONALIbiotecnologie   nascono nella preistoria, da quando l’uomo                ha...
Le BIOTECNOLOGIE INNOVATIVE               Cosa sono lerappresentano un’applicazione della       biotecnologieBIOLOGIA MOLE...
Le biotecnologie innovative: alcuni esempi            Le IMPRONTE DIGITALI molecolari                                     ...
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Le biotecnologie innovative: alcuni esempi             L’INGEGNERIA GENETICA:             produzione di alimenti funzional...
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CRA - GPGCRA=GPG= Centro di Ricerca per la     Genomica e la Post Genomica
Su quali PIANTE                              lavoriamoorzo                     frumento       arabidopsis
Con quali                                       STRUMENTI                                        lavoriamo                ...
Resistenza aSTRESS ABIOTICI:  freddo e siccità
Resistenza aSTRESS BIOTICI:malattie ed insetti
Genotipi mutanti per  studiare processsibiologici fondamentali
Qualità della  PRODUZIONE:malto, alimentazione umana e animale
In che modo? Come Mendel guardiamo il fenotipodelle piante e sfruttiamo le sue leggi per ottenereuna progenie con i caratt...
Osserviamo il fenotipo sia in campo che in laboratoriocon strumenti e tecniche sofisticate ed obbiettive    Valutazione de...
E poi in laboratorio studiamo i geni e le proteine che                                                               arg  ...
Da qualche anno studiamo tanti genicontemporaneamente:                             Strutturalela GENOMICA !!!             ...
La genomica STRUTTURALE:        le mappe genetiche         Nure x Tremois map (TAG, 2004)
La genomica STRUTTURALE:il sequenziamento dei genomi                       ……..
Il sequenziamento di un genomanecessita lo sforzo unitodi tante nazioni.L’Italia partecipa a progetti pergenoma di vite, p...
La genomica FUNZIONALE:l’analisi del trascrittoma                      Questo chip consente                      l’identif...
La genomica FUNZIONALE:  analisi del proteoma:Separazione bidimensionale e identificazionemediante MS di proteine: per ide...
Ed ora…impariamo adESTRARRE il   DNA!!!
ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE     •RACCOGLIERE ALCUNE MANCIATE DI FOGLIE E METTERLE IN AZOTO    LIQUIDO (-196°C!!!!). La tem...
ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE          •MESCOLARE A CALDO (60-65°C). Mentre si completa la rottura delle cellule è important...
Genetica e genomica al CRA-GPG
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Genetica e genomica al CRA-GPG

  1. 1. Una gita nella BIOLOGIA MOLECOLARE al Centro di Ricerca per la Genomica e Post genomica di Fiorenzuola d’Arda
  2. 2. Gregor Mendel e il suo orto… Gregor Mendel - 1866
  3. 3. Gregor Mendel e il suo orto… Cosa succede se incrocio piante con caratteristiche contrastanti?
  4. 4. Gregor Mendel e il suo orto… Incrocio caratteri non sono Alcuni una pianta dai fiori viola con una dai fiori presenti nella prima generazione… bianchi…
  5. 5. Gregor Mendel e il suo orto… …Ma se reincrocio le piante …il carattere ricompare nelle dai fiori viola della prima generazioni successive… generazione…
  6. 6. La “scoperta” della genetica x P1 P2 …”qualcosa” viene ereditato da una generazione all’altra ed è in grado di trasmettere le CARATTERISTICHE dei genitori F1 F2
  7. 7. Il DNA !!! Esiste un PRINCIPIO TRASFORMANTE che trasmette le caratteristiche da una generazione all’altra Oswald Avery,McLeod e McCarthy - 1944 Frederick Griffith - 1928 Ciò che viene trasmesso da una generazione all’altra e determina le caratteristiche di ogni essere vivente è il Alfred Hershey e Martha DNA Chase – 1952
  8. 8. La struttura del Esistono 4 tipi di NUCLEOTIDI:contengono 4 diverse BASI AZOTATE: DNA !!! A, T, C, G. Le basi si accoppiano seguendo una regola precisa: Il DNA o ACIDO Adenina con Timina DESOSSIRIBONUCLEICO è Citosina con Guanina un POLIMERO costituito da MONOMERI: i NUCLEOTIDI Erwin Chargaff - 1950
  9. 9. La struttura del DNA !!! Due filamenti di DNA si avvolgono su se stessi formando una DOPPIA ELICA. …le BASI AZOTATE Lo zucchero, il (A, T, C, G) si accoppiano A T DESOSSIRIBOSIO, fra loro e si trovano al costituisce lo scheletro del centro della doppia elica. C G DNA e si trova all’esterno… L’ordine delle basi costituisce la SEQUENZA A T del DNA G C C G T A C G G C A T C GRosalind Franklin -1953 James Watson e Francis Crick -1953
  10. 10. La struttura del DNA !!! Determinati segmenti di DNA formano i GENI. “serie” di GENI formano i CROMOSOMI. I CROMOSOMI e quindi il DNA vengono EREDITATI. Il materiale genetico di un individuo viene definito GENOMA.
  11. 11. Dov’è il DNA ??? Il DNA si trova in tutte le cellule degli organismi viventi. Negli organismi EUCARIOTI (piante, animali, uomo…) si trova all’interno del NUCLEO
  12. 12. Come funziona il DNA ???Informazione genetica Funzione Un GENE, quindi un segmento di DNA, da’ l’informazione per costruire una PROTEINAGeorge Beadle ed Edward Tatum - 1941
  13. 13. Cos’è una PROTEINA??? Una PROTEINA è unEsistono 21 tipi diversi di POLIMERO costituito da AMINOACIDI MONOMERI: gli AMINOACIDI arg valtrp lys ile phe trp L’ordine degli aminoaciditrp trp costituisce la ile leu ile phe SEQUENZA della ile phe ile arg trp proteina. arg lys lys Diversa SEQUENZA = diversa FUNZIONE
  14. 14. Come fa un GENE a “costruire” una PROTEINA??? Dal DNA viene TRASCRITTA una molecola di RNA TRASCRIZIONE TRADUZIONE L’RNA viene TRADOTTO in una PROTEINA
  15. 15. Dal GENE alla PROTEINA: la TRASCRIZIONE Filamento antisenso RNA polimerasi RNA polimerasi RNA polimerasi Filamento senso L’RNA-polimerasi sintetizza una molecola di RNA trascrivendo il filamento SENSO del DNA
  16. 16. Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE La traduzione avviene Delle speciali molecole all’interno dei “trasportano” gli RIBOSOMI AMINOACIDI RNA L’RNA viene letto e tradotto 3 “lettere” per volta, ad ogni TRIPLETTA corrisponde un diverso AMINOACIDO
  17. 17. Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE La traduzione avviene Delle speciali molecole all’interno dei “trasportano” gli RIBOSOMI AMINOACIDI RNA L’RNA viene letto e tradotto Il modo in cui gli 3 “lettere” per volta, ad ogni organismi leggono i geni TRIPLETTA corrisponde un si chiama CODICE diverso AMINOACIDO GENETICO
  18. 18. Dal GENE alla PROTEINA: il CODICE GENETICO Il CODICE GENETICO è uguale in tutti gli Il linguaggio del DNA è organismi: batteri, UNIVERSALE animali e piante
  19. 19. Cosa rende diversi due organismi o due cellule? Un gene è costituito da due parti principali: il PROMOTORE e la REGIONE CODIFICANTE promotore regione codificante
  20. 20. Cosa rende diversi due organismi o due cellule? Il PROMOTORE è una sorta di INTERRUTTORE molecolare che dice al gene DOVE, QUANDO e Dove QUANTO funzionare esprimere promotore Quanto esprimere Quando esprimere
  21. 21. Cosa rende diversi due organismi o due cellule?regione codificante La REGIONE CODIFICANTE contiene le informazioni necessarie per la codifica della proteina. Forme leggermente diverse dello stesso gene ma con la stessa funzione corrispondono agli alleli di Mendel
  22. 22. Come si studia il DNA??? Il DNA può essere AMPLIFICATO… Per averne grandi quantità ..e si può SEQUENZIARE
  23. 23. Il sequenziamento: gli elettroferogrammiCiascun “Picco”corrisponde ad unabase azotata.Ogni picco, quindiogni base, ha uncolore specifico.
  24. 24. Come si studia il DNA??? Con l’aiuto di ENZIMI (speciali proteine) il DNA si può “TAGLIARE” e “RICUCIRE” Si può VISUALIZZARE su dei GEL con l’aiuto di lampade particolari
  25. 25. Cosa sono le BIOTECNOLOGIE? Applicazioni pratiche delle nostre conoscenze sugli organismi viventi BIOTECNOLOGIE e le molecole di base significa PRODUZIONEdella vita (DNA e proteine) di beni e servizi mediante ORGANISMI VIVENTI, CELLULE o loro costituenti tradizionali biotecnologie innovative
  26. 26. Cosa sono le Le BIOTECNOLOGIE TRADIZIONALIbiotecnologie nascono nella preistoria, da quando l’uomo ha imparato a sfruttare processi naturalitradizionali (le FERMENTAZIONI) per produrre il PANE e il VINO
  27. 27. Le BIOTECNOLOGIE INNOVATIVE Cosa sono lerappresentano un’applicazione della biotecnologieBIOLOGIA MOLECOLARE, la scienzache studia le molecole della vita, come innovativeil DNA e le PROTEINE.
  28. 28. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi Le IMPRONTE DIGITALI molecolari Scena Il DNA rappresenta una caratteristica del Sospetto Sospetto B Sospetto UNICA per ogni organismo. Dal DNA si crimine A C può quindi risalire all’IDENTITA’ di una persona e risolvere, per esempio, un caso giudiziario…
  29. 29. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi Le IMPRONTE DIGITALI molecolari mamma 1 2 3 4 papà …o a identificare casi di dubbia PATERNITA’: qualedi questi cuccioli non è figlio di questi due genitori?
  30. 30. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi Le IMPRONTE DIGITALI molecolari P1 P2 1 2 3 4 5 6 7 S R S S S S R S S E’ possibile sviluppareMARCATORI MOLECOLARI che permettonol’identificazione del genotipo RESISTENTE in unprogramma di miglioramento genetico x = P1: suscettibile P2: resistente F1
  31. 31. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi L’INGEGNERIA GENETICA: produzione di alimenti funzionali E’ possibile TRASFORMARE una pianta coltivata con un gene di interesse ed ottenere alimenti con “valore aggiunto”. Un esempio: il GOLDEN RICE RisoCariosside Sintesi di carotenepromotore regione codificante Golden rice: il riso “dorato”
  32. 32. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi L’INGEGNERIA GENETICA: Con la produzione di farmaci TRASFORMAZIONE è possibile ottenere farmaci con MINORI COSTI Batterio E.coli Pomodoro, tabacco, patataGene per Tossina del coleral’insulina UMANA (produzione di anticorpi)
  33. 33. CRA - GPGCRA=GPG= Centro di Ricerca per la Genomica e la Post Genomica
  34. 34. Su quali PIANTE lavoriamoorzo frumento arabidopsis
  35. 35. Con quali STRUMENTI lavoriamo laboratorio campi sperimentali computer robotserra e celle climatiche sequenziatori
  36. 36. Resistenza aSTRESS ABIOTICI: freddo e siccità
  37. 37. Resistenza aSTRESS BIOTICI:malattie ed insetti
  38. 38. Genotipi mutanti per studiare processsibiologici fondamentali
  39. 39. Qualità della PRODUZIONE:malto, alimentazione umana e animale
  40. 40. In che modo? Come Mendel guardiamo il fenotipodelle piante e sfruttiamo le sue leggi per ottenereuna progenie con i caratteri che ci piacciono
  41. 41. Osserviamo il fenotipo sia in campo che in laboratoriocon strumenti e tecniche sofisticate ed obbiettive Valutazione dei danni da stress sulla fotosintesi Analisi microscopica dell’invasione fungina
  42. 42. E poi in laboratorio studiamo i geni e le proteine che arg val trp lysile phe promotore regione codificante trp trp trp ile leu ile phe phe ile ile arg trp arg lys lyscausano quei caratteri P1 P2 1 2 3 4 5 6 7 S R S S S S R S S x = P1: suscettibile P2: resistente F1
  43. 43. Da qualche anno studiamo tanti genicontemporaneamente: Strutturalela GENOMICA !!! Funzionale
  44. 44. La genomica STRUTTURALE: le mappe genetiche Nure x Tremois map (TAG, 2004)
  45. 45. La genomica STRUTTURALE:il sequenziamento dei genomi ……..
  46. 46. Il sequenziamento di un genomanecessita lo sforzo unitodi tante nazioni.L’Italia partecipa a progetti pergenoma di vite, pesco, olivo,pomodoro, frumento…Il CRA-GPG partecipa ai progetti di sequenziamentodi frumento, , pesco, olivo, citrus… CRA-GPG
  47. 47. La genomica FUNZIONALE:l’analisi del trascrittoma Questo chip consente l’identificazione e la quantificazione di tutti gli mRNA presenti nella cellula in una certa condizione di vita della pianta
  48. 48. La genomica FUNZIONALE: analisi del proteoma:Separazione bidimensionale e identificazionemediante MS di proteine: per identificare equantificare tutte le proteine presenti nellacellula in una certa condizione di vita dellapianta
  49. 49. Ed ora…impariamo adESTRARRE il DNA!!!
  50. 50. ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE  •RACCOGLIERE ALCUNE MANCIATE DI FOGLIE E METTERLE IN AZOTO LIQUIDO (-196°C!!!!). La temperatura estremamente bassa dell’azoto liquido permette di conservare le foglie in ottime condizioni.  •TRITARE LE FOGLIE IN UN MORTAIO CON IL PESTELLO E L’AZOTO LIQUIDO FINO AD OTTENERE UNA POLVERE FINE. L’azoto liquido aiuta a “polverizzare” meglio le foglie, vengono rotti i tessuti e la temperatura molto bassa fa in modo che non si degradino (=rovinino) le componenti della cellula.  •TRASFERIRE LA POLVERE IN UN BECKER DI PLASTICA E AGGIUNGERE 50ml DI SOLUZIONE SATURA DI SALE DA CUCINA (NaCL). La soluzione satura, cioè con moltissimo sale disciolto, fa in modo che la cellula perda moltissima acqua (il fenomeno dell’osmosi), fino a provocare la rottura delle cellule.  •MESCOLARE E AGGIUNGERE 50ml DI DETERSIVO PER I PIATTI. Nella soluzione detergente si disciolgono le membrane (ricche di lipidi, cioè di grassi), si completa la rottura delle cellule.       
  51. 51. ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE     •MESCOLARE A CALDO (60-65°C). Mentre si completa la rottura delle cellule è importante mantenere la miscela a caldo. L’alta temperatura infatti inattiva (=distrugge) le DNasi, degli enzimi che degradano (=rompono) il DNA.  •FILTRARE LA MISCELA IN UN IMBUTO CON CARTA DA FILTRO E RECUPERARE IL FILTRATO IN UN BECKER DI VETRO. In questo passaggio vengono eliminati i pezzi più grossi di foglia.  •AGGIUNGERE ETANOLO (ALCOOL) FREDDO. Con l’etanolo il DNA “precipita”, cioè tante molecole si “appiccicano” assieme e formano dei grumi, che diventano così visibili  •SI SEPARANO 2 FASI: NELLA FASE TRASPARENTE SUPERIORE E’ PRESENTE L’ALCOOL CON DEI “FILINI” DI DNA. Si separa la fase “detergente” (cioè il detersivo) e quella “alcolica” (cioè l’etanolo). Il DNA rimane nella parte alcolica ed è visibile sottoforma di piccole matassine. 3.IL DNA PUO’ ESSERE “PESCATO” E CONSERVATO IN EPPENDORF.  FASE ALCOLICA + DNA   FASE DETERGENTE

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