Biotecnologie vegetali per tutti

1. Una gita nella BIOLOGIA MOLECOLARE al
Centro di Ricerca per la Genomica
e Post genomica di Fiorenzuola d’Arda

2. Gregor Mendel - 1866
Gregor Mendel e il
suo orto…

3. Cosa succede
se incrocio piante
con caratteristiche
contrastanti?
Gregor Mendel e il
suo orto…

4. Incrocio una pianta dai fiori
viola con una dai fiori
bianchi…
Gregor Mendel e il
suo orto…
Alcuni caratteri non sono
presenti nella prima
generazione…

5. …Ma se reincrocio le piante
dai fiori viola della prima
generazione…
…il carattere ricompare nelle
generazioni successive…
Gregor Mendel e il
suo orto…

6. La “scoperta”
della
genetica x
…”qualcosa” viene
ereditato da una
generazione all’altra ed è
in grado di trasmettere
le CARATTERISTICHE
dei genitori
P1 P2
F1
F2

7. Il DNA !!!
Ciò che viene trasmesso da
una generazione all’altra e
determina le caratteristiche
di ogni essere vivente è il
DNA
Oswald Avery,
McLeod e McCarthy -
1944
Esiste un PRINCIPIO
TRASFORMANTE che
trasmette le caratteristiche
da una generazione all’altra
Frederick Griffith - 1928
Alfred Hershey e Martha
Chase – 1952

8. La struttura del
DNA !!!
Il DNA o ACIDO
DESOSSIRIBONUCLEICO è
un POLIMERO costituito da
MONOMERI: i
NUCLEOTIDI
Esistono 4 tipi di NUCLEOTIDI:
contengono 4 diverse BASI AZOTATE:
A, T, C, G.
Le basi si accoppiano seguendo una
regola precisa:
Adenina con Timina
Citosina con Guanina
Erwin Chargaff - 1950

9. Due filamenti di DNA si
avvolgono su se stessi
formando una DOPPIA ELICA.
Lo zucchero, il
DESOSSIRIBOSIO,
costituisce lo scheletro del
DNA e si trova all’esterno…
…le BASI AZOTATE
(A, T, C, G) si accoppiano
fra loro e si trovano al
centro della doppia elica.
L’ordine delle basi
costituisce la SEQUENZA
del DNA
La struttura del
DNA !!!
Rosalind Franklin -1953 James Watson e Francis Crick -1953
TA
C G
T
T
T
A
A
A
C
C
C
C
C
G
G
G
G
G

10. 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.
La struttura del
DNA !!!

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. Come funziona il DNA ???
Un GENE, quindi un
segmento di DNA, da’
l’informazione per
costruire una
PROTEINA
George Beadle ed Edward Tatum -
1941
Funzione
Informazione
genetica

13. Cos’è una PROTEINA???
Una PROTEINA è un
POLIMERO costituito da
MONOMERI: gli
AMINOACIDI
Esistono 21 tipi diversi di
AMINOACIDI
L’ordine degli aminoacidi
costituisce la
SEQUENZA della
proteina.
Diversa SEQUENZA = diversa FUNZIONE
arg
val
trp
trp
ile
phe
arg lys
ile
leu
trp
lys
phe
ile
trp
ile
arg
lys
trp
ile
phe

14. Come fa un GENE a “costruire” una PROTEINA???
Dal DNA viene
TRASCRITTA una
molecola di RNA
L’RNA viene
TRADOTTO in una
PROTEINA
TRASCRIZIONETRASCRIZIONE TRADUZIONETRADUZIONE

15. Dal GENE alla PROTEINA: la TRASCRIZIONE
L’RNA-polimerasi
sintetizza una molecola di
RNA trascrivendo il
filamento SENSO del
DNA
Filamento sensoFilamento senso
Filamento antisensoFilamento antisenso RNA polimerasi RNA polimerasiRNA polimerasi

16. Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE
La traduzione avviene
all’interno dei
RIBOSOMI
Delle speciali molecole
“trasportano” gli
AMINOACIDI
L’RNA viene letto e tradotto
3 “lettere” per volta, ad ogni
TRIPLETTA corrisponde un
diverso AMINOACIDO
RNARNA

17. Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE
La traduzione avviene
all’interno dei
RIBOSOMI
Delle speciali molecole
“trasportano” gli
AMINOACIDI
RNARNA
Il modo in cui gli
organismi leggono i geni
si chiama CODICE
GENETICO
L’RNA viene letto e tradotto
3 “lettere” per volta, ad ogni
TRIPLETTA corrisponde un
diverso AMINOACIDO

18. Dal GENE alla PROTEINA: il CODICE GENETICO
Il linguaggio del DNA è
UNIVERSALE
Il CODICE GENETICO è
uguale in tutti gli
organismi: batteri,
animali e piante

19. promotore regione codificante
Cosa rende diversi due organismi o due cellule?
Un gene è costituito da due
parti principali: il PROMOTORE
e la REGIONE CODIFICANTE

20. Dove
esprimere
Il PROMOTORE è una
sorta di INTERRUTTORE
molecolare che dice al gene
DOVE, QUANDO e
QUANTO funzionare
Cosa rende diversi due organismi o due cellule?
Quando
esprimere
Quanto
esprimere
promotore

21. regione codificante
Cosa rende diversi due organismi o due cellule?
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. Come si studia il
DNA??? Il DNA può essere
AMPLIFICATO…
Per averne grandi
quantità
..e si può
SEQUENZIARE

23. IlIl sequenziamentosequenziamento::
gligli elettroferogrammielettroferogrammi
Ciascun “Picco”Ciascun “Picco”
corrisponde ad unacorrisponde ad una
base azotata.base azotata.
Ogni picco, quindiOgni picco, quindi
ogni base, ha unogni base, ha un
colore specifico.colore specifico.

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. biotecnologie
tradizionali
innovative
Cosa sono le BIOTECNOLOGIE?
BIOTECNOLOGIE
significa PRODUZIONE
di beni e servizi
mediante ORGANISMI
VIVENTI, CELLULE o
loro costituenti
Applicazioni pratiche
delle nostre conoscenze
sugli organismi viventi
e le molecole di base
della vita (DNA e proteine)

26. Cosa sono le
biotecnologie
tradizionali
Le BIOTECNOLOGIE TRADIZIONALI
nascono nella preistoria, da quando l’uomo
ha imparato a sfruttare processi naturali
(le FERMENTAZIONI) per produrre il
PANE e il VINO

27. Cosa sono le
biotecnologie
innovative
Le BIOTECNOLOGIE INNOVATIVE
rappresentano un’applicazione della
BIOLOGIA MOLECOLARE, la scienza
che studia le molecole della vita, come
il DNA e le PROTEINE.

28. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
Le IMPRONTE DIGITALI molecolari
Il DNA rappresenta una caratteristica
UNICA per ogni organismo. Dal DNA si
può quindi risalire all’IDENTITA’ di una
persona e risolvere, per esempio, un
caso giudiziario…
Scena
del
crimine
Sospetto
A
Sospetto
B Sospetto
C

29. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
Le IMPRONTE DIGITALI molecolari
…o a identificare casi di
dubbia PATERNITA’: quale
di questi cuccioli non è figlio
di questi due genitori?
mamma papà1 2 3 4

30. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
P1 P2 1 2 3 4 5 6 7
S R S S S S R S S
x =
Le IMPRONTE DIGITALI molecolari
E’ possibile sviluppare
MARCATORI MOLECOLARI
che permettono
l’identificazione del genotipo
RESISTENTE in un
programma di miglioramento
genetico
P1: suscettibile P2: resistente F1

31. L’INGEGNERIA GENETICA:
produzione di alimenti funzionali
Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
RisoRiso
Golden rice: il
riso “dorato”
E’ possibile TRASFORMARE
una pianta coltivata con un
gene di interesse ed
ottenere alimenti con
“valore aggiunto”. Un
esempio: il GOLDEN RICE
promotore regione codificante
Sintesi di caroteneCariosside

32. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
L’INGEGNERIA GENETICA:
produzione di farmaci
Con la
TRASFORMAZIONE
è possibile ottenere
farmaci con
MINORI COSTI
Batterio E.coli Pomodoro, tabacco, patata
Tossina del colera
(produzione di anticorpi)
Gene per
l’insulina UMANA

33. CRA - GPG
CRA=
GPG= Centro di Ricerca per la
Genomica e la Post Genomica

34. orzo
frumento
arabidopsis
Su quali PIANTE
lavoriamo

35. campi sperimentali
serra e celle climatiche
laboratorio
Con quali
STRUMENTI
lavoriamo
computer
sequenziatori
robot

36. Resistenza a
STRESS ABIOTICI:
freddo e siccità

37. Resistenza a
STRESS BIOTICI:
malattie ed insetti

38. Genotipi mutanti per
studiare processsi
biologici fondamentali

39. Qualità della
PRODUZIONE:
malto, alimentazione
umana e animale

40. In che modo? Come Mendel guardiamo il fenotipo
delle piante e sfruttiamo le sue leggi per ottenere
una progenie con i caratteri che ci piacciono

41. Osserviamo il fenotipo sia in campo che in laboratorio
con strumenti e tecniche sofisticate ed obbiettive
Valutazione dei danni da
stress sulla fotosintesi
Analisi microscopica dell’invasione fungina

42. E poi in laboratorio studiamo i geni e le proteine che
causano quei caratteri
P1 P2 1 2 3 4 5 6 7
S R S S S S R S S
promotore regione codificante
arg
val
trp
trp
ile
phe
arglys
ile
leu
trp
lys phe
ile
trp
ile
arg
lystrp
ile
phe
x =
P1: suscettibile P2: resistente F1

43. Da qualche anno studiamo tanti geni
contemporaneamente:
la GENOMICA !!!
Strutturale
Funzionale

44. Nure x Tremois map (TAG, 2004)
La genomica STRUTTURALE:
le mappe genetiche

45. ……..
La genomica STRUTTURALE:
il sequenziamento dei genomi

46. Il sequenziamento di un genoma
necessita lo sforzo unito
di tante nazioni.
L’Italia partecipa a progetti per
genoma di vite, pesco, olivo,
pomodoro, frumento…
Il CRA-GPG partecipa ai progetti di sequenziamento
di frumento, , pesco, olivo, citrus…
CRA-GPG

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. La genomica FUNZIONALE:
analisi del proteoma:
Separazione bidimensionale e identificazione
mediante MS di proteine: per identificare e
quantificare tutte le proteine presenti nella
cellula in una certa condizione di vita della
pianta

51. Ed ora…
impariamo ad
ESTRARRE il
DNA!!!

52. ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE
1.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.
2.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.
3.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.
4.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.

53. ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE
5.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.
6.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.
7.AGGIUNGERE ETANOLO (ALCOOL) FREDDO. Con l’etanolo il DNA “precipita”, cioè tante
molecole si “appiccicano” assieme e formano dei grumi, che diventano così visibili
8.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.
9.IL DNA PUO’ ESSERE “PESCATO” E CONSERVATO
IN EPPENDORF.
FASE DETERGENTE
FASE ALCOLICA
+ DNA