Biotecnologia e ingegneria genetica: una panoramica

Biotecnologia è un campo delle scienze della vita che utilizza organismi viventi e sistemi biologici per creare organismi modificati o nuovi o prodotti utili. Una componente importante della biotecnologia è Ingegneria genetica.

Il concetto popolare di biotecnologia è uno di esperimenti che avvengono in laboratori e all'avanguardia progressi industriali, ma la biotecnologia è molto più integrata nella vita quotidiana della maggior parte delle persone di quanto non lo sia sembra.

I vaccini che prendi, la salsa di soia, il formaggio e il pane che compri al supermercato, la plastica nel tuo quotidiano l'ambiente, i tuoi indumenti di cotone antipiega, la pulizia dopo le notizie di fuoriuscite di petrolio e altro sono tutti esempi di biotecnologia. Tutti "impiegano" microbi viventi per creare un prodotto.

Anche un esame del sangue per la malattia di Lyme, un trattamento chemioterapico per il cancro al seno o un'iniezione di insulina potrebbero essere il risultato della biotecnologia.

TL; DR (troppo lungo; non letto)

La biotecnologia si basa sul campo dell'ingegneria genetica, che modifica il DNA per alterare la funzione o altri tratti degli organismi viventi.

I primi esempi di ciò sono l'allevamento selettivo di piante e animali migliaia di anni fa. Oggi gli scienziati modificano o trasferiscono il DNA da una specie all'altra. La biotecnologia sfrutta questi processi per un'ampia varietà di settori, tra cui medicina, cibo e agricoltura, produzione e biocarburanti.

La biotecnologia non sarebbe possibile senza Ingegneria genetica. In termini moderni, questo processo manipola le informazioni genetiche delle cellule utilizzando tecniche di laboratorio per modificare i tratti degli organismi viventi.

Gli scienziati possono utilizzare l'ingegneria genetica per cambiare il modo in cui un organismo appare, si comporta, funziona o interagisce con materiali o stimoli specifici nel suo ambiente. L'ingegneria genetica è possibile in tutte le cellule viventi; questo include microrganismi come batteri e singole cellule di organismi multicellulari, come piante e animali. Persino il genoma umano possono essere modificati utilizzando queste tecniche.

A volte, gli scienziati alterano le informazioni genetiche in una cellula alterando direttamente i suoi geni. In altri casi, pezzi di DNA di un organismo vengono impiantati nelle cellule di un altro organismo. Le nuove cellule ibride sono chiamate Transgenico.

L'ingegneria genetica può sembrare un progresso tecnologico ultramoderno, ma è in uso da decenni, in numerosi campi. In effetti, la moderna ingegneria genetica ha le sue radici in antiche pratiche umane che furono definite per la prima volta da Charles Darwin come selezione artificiale.

Selezione artificiale, che è anche chiamata allevamento selettivo, è un metodo per scegliere deliberatamente coppie di accoppiamento per piante, animali o altri organismi in base ai tratti desiderati. La ragione per farlo è creare una prole con quei tratti e ripetere il processo con le generazioni future per rafforzare gradualmente i tratti nella popolazione.

Sebbene la selezione artificiale non richieda la microscopia o altre apparecchiature di laboratorio avanzate, è una forma efficace di ingegneria genetica. Sebbene sia iniziata come una tecnica antica, gli umani la usano ancora oggi.

Esempi comuni includono:

• Allevamento di bestiame.
• Creazione di varietà di fiori.
• Animali da riproduzione, come roditori o primati, con tratti specifici desiderati come la suscettibilità alle malattie per gli studi di ricerca.

Il primo esempio noto di esseri umani impegnati nella selezione artificiale di un organismo è l'aumento di Canis lupus familiaris, o come è più comunemente noto, il cane. Circa 32.000 anni fa, gli esseri umani in un'area dell'Asia orientale che ora è la Cina, vivevano in gruppi di cacciatori-raccoglitori. I lupi selvaggi seguivano i gruppi umani e si cibavano delle carcasse lasciate dai cacciatori.

Gli scienziati pensano che sia molto probabile che gli umani abbiano permesso di vivere solo ai docili lupi che non erano una minaccia. In questo modo, la diramazione dei cani dai lupi iniziò per autoselezione, in quanto gli individui con il tratto che permetteva loro di tollerare la presenza degli umani divennero i compagni addomesticati del to cacciatori-raccoglitori.

Alla fine, gli umani iniziarono ad addomesticare intenzionalmente e poi allevare generazioni di cani per i tratti desiderati, in particolare la docilità. I cani sono diventati compagni leali e protettivi per gli umani. Nel corso di migliaia di anni, gli umani li hanno allevati selettivamente per tratti specifici come lunghezza e colore del mantello, dimensioni degli occhi e lunghezza del muso, dimensioni del corpo, disposizione e altro.

I lupi selvaggi dell'Asia orientale di 32.000 anni fa che si sono divisi 32.000 anni fa in cani comprendono quasi 350 diverse razze canine. Quei primi cani sono più strettamente legati geneticamente ai cani moderni chiamati cani nativi cinesi.

La selezione artificiale si manifestava anche in altri modi nelle antiche culture umane. Man mano che gli esseri umani si spostavano verso le società agricole, utilizzavano la selezione artificiale con un numero crescente di specie animali e vegetali.

Hanno addomesticato gli animali allevandoli generazione dopo generazione, accoppiando solo la prole che mostrava i tratti desiderati. Questi tratti dipendevano dallo scopo dell'animale. Ad esempio, i moderni cavalli domestici sono comunemente usati in molte culture come trasporto e come animali da soma, parte di un gruppo di animali comunemente chiamati bestie da soma.

Pertanto, i tratti che gli allevatori di cavalli potrebbero aver cercato sono la docilità e la forza, nonché la robustezza al freddo o al caldo e la capacità di riprodursi in cattività.

Le società antiche utilizzavano l'ingegneria genetica anche in modi diversi dalla selezione artificiale. 6.000 anni fa, gli egizi usavano il lievito per far lievitare il pane e il lievito fermentato per produrre vino e birra.

La moderna ingegneria genetica avviene in laboratorio invece che tramite allevamento selettivo, poiché i geni sono copiato e spostato da un pezzo di DNA a un altro, o dalla cellula di un organismo a quella di un altro organismo DNA. Questo si basa su un anello di DNA chiamato a plasmide.

plasmidi sono presenti nelle cellule batteriche e di lievito e sono separati dai cromosomi. Sebbene entrambi contengano DNA, i plasmidi in genere non sono necessari per la sopravvivenza della cellula. Mentre i cromosomi batterici contengono migliaia di geni, i plasmidi contengono solo tanti geni quanti ne conterebbero su una mano. Questo li rende molto più semplici da manipolare e analizzare.

La scoperta negli anni '60 di endonucleasi di restrizione, conosciuto anche come enzimi di restrizione, ha portato a una svolta nell'editing genetico. Questi enzimi tagliano il DNA in punti specifici della catena di coppie di basi.

Le coppie di basi sono quelle legate nucleotidi che formano il filamento di DNA. A seconda delle specie di batteri, l'enzima di restrizione sarà specializzato nel riconoscere e tagliare diverse sequenze di coppie di basi.

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Gli scienziati hanno scoperto di essere in grado di utilizzare gli enzimi di restrizione per tagliare pezzi degli anelli plasmidici. Sono stati quindi in grado di introdurre il DNA da una fonte diversa.

Un altro enzima chiamato DNA ligasi attacca il DNA estraneo al plasmide originale nello spazio vuoto lasciato dalla sequenza di DNA mancante. Il risultato finale di questo processo è un plasmide con un segmento di gene estraneo, chiamato a vettore.

Se la sorgente del DNA fosse una specie diversa, il nuovo plasmide si chiama DNA ricombinante, o a chimera. Una volta che il plasmide viene reintrodotto nella cellula batterica, i nuovi geni vengono espressi come se il batterio avesse sempre posseduto quel corredo genetico. Man mano che il batterio si replica e si moltiplica, anche il gene verrà copiato.

Se l'obiettivo è introdurre il nuovo DNA nella cellula di un organismo che non sia un batterio, sono necessarie diverse tecniche. Uno di questi è un pistola genetica, che fa esplodere minuscole particelle di elementi di metalli pesanti ricoperti di DNA ricombinante nei tessuti vegetali o animali.

Altre due tecniche richiedono di sfruttare la potenza dei processi delle malattie infettive. Un ceppo batterico chiamato Agrobacterium tumefaciens infetta le piante, causando la crescita di tumori nella pianta. Gli scienziati rimuovono i geni che causano la malattia dal plasmide responsabile dei tumori, chiamato Ti, o plasmide che induce il tumore. Sostituiscono questi geni con i geni che vogliono trasferire nella pianta in modo che la pianta venga "infettata" con il DNA desiderabile.

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I virus spesso invadono altre cellule, dai batteri alle cellule umane, e inseriscono il proprio DNA. UN vettore virale viene utilizzato dagli scienziati per trasferire il DNA in una cellula vegetale o animale. I geni che causano la malattia vengono rimossi e sostituiti con i geni desiderati, che possono includere geni marcatori per segnalare che si è verificato il trasferimento.

Il primo esempio di moderna modificazione genetica risale al 1973, quando Herbert Boyer e Stanley Cohen trasferirono un gene da un ceppo di batteri a un altro. Il gene codificato per la resistenza agli antibiotici.

L'anno successivo, gli scienziati hanno creato la prima istanza di un animale geneticamente modificato, quando Rudolf Jaenisch e Beatrice Mintz hanno inserito con successo DNA estraneo negli embrioni di topo.

Gli scienziati hanno iniziato ad applicare l'ingegneria genetica a un ampio campo di organismi, per un numero crescente di nuove tecnologie. Ad esempio, hanno sviluppato piante resistenti agli erbicidi in modo che gli agricoltori potessero spruzzare le erbacce senza danneggiare i loro raccolti.

Hanno anche modificato gli alimenti, in particolare frutta e verdura, in modo che crescessero molto più grandi e durassero più a lungo dei loro cugini non modificati.

L'ingegneria genetica è il fondamento della biotecnologia, poiché l'industria delle biotecnologie è, in senso generale, un vasto campo che implica l'utilizzo di altre specie viventi per i bisogni dell'uomo.

I tuoi antenati di migliaia di anni fa che allevavano selettivamente cani o determinate colture facevano uso della biotecnologia. Lo stesso vale per gli agricoltori e gli allevatori di cani moderni, così come qualsiasi panetteria o azienda vinicola.

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La biotecnologia industriale è utilizzata per le fonti di combustibile; da qui nasce il termine “biocarburanti”. I microrganismi consumano i grassi e li trasformano in etanolo, che è una fonte di combustibile consumabile.

Gli enzimi vengono utilizzati per produrre sostanze chimiche con meno sprechi e costi rispetto ai metodi tradizionali o per ripulire i processi di produzione abbattendo i sottoprodotti chimici.

Dai trattamenti con cellule staminali ai migliori esami del sangue fino a una varietà di prodotti farmaceutici, la biotecnologia ha cambiato il volto dell'assistenza sanitaria. Le aziende di biotecnologia medica utilizzano i microbi per creare nuovi farmaci, come ad esempio anticorpi monoclonali (questi farmaci sono usati per trattare una varietà di condizioni, compreso il cancro), antibiotici, vaccini e ormoni.

Un progresso medico significativo è stato lo sviluppo di un processo per creare insulina sintetica con l'aiuto dell'ingegneria genetica e dei microbi. Il DNA dell'insulina umana viene inserito nei batteri, che si replicano, crescono e producono l'insulina, fino a quando l'insulina può essere raccolta e purificata.

Nel 1991, Ingo Potrykus ha utilizzato la ricerca sulle biotecnologie agricole per sviluppare un tipo di riso fortificato con beta carotene, che il corpo si converte in vitamina A ed è ideale per essere coltivato nei paesi asiatici, dove la cecità infantile da carenza di vitamina A è un particolare problema.

La cattiva comunicazione tra la comunità scientifica e il pubblico ha portato a grandi controversie sugli organismi geneticamente modificati, o OGM. C'era una tale paura e clamore su a prodotto alimentare geneticamente modificato come il Golden Rice, come viene chiamato, che pur avendo le piante pronte per la distribuzione agli agricoltori asiatici nel 1999, tale distribuzione non è ancora si è verificato.