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DEFINIZIONE=  sono tecnologie che utilizzano organismi viventi come batteri, lieviti, cellule vegetali o animali o parti di essi per sviluppare prodotti e processi
Possiamo dunque definire biotecnologie tutte quelle tecniche che, basandosi sull’utilizzo di organismi viventi o di loro derivati, siano volte alla produzione di sostanze specifiche. Per esempio, gli enzimi utilizzati dalle cellule per realizzare le reazioni chimiche necessarie a compiere determinate funzioni possono essere sfruttati in laboratorio per altri scopi. Allo stesso modo, le conoscenze chimiche sulla struttura degli acidi nucleici, sulle proprietà di determinati enzimi e sulle regole di complementarietà delle basi sono il punto di partenza per manipolare le molecole di DNA.
DIFFERENZA CON INGEGNERIA GENETICA=Mentre le biotecnologie utilizzano organismi viventi o loro componenti per degradare, sintetizzare o modificare le materie prime, l’ingegneria genetica, invece, comprende tutte le tecniche che permettono di tagliare o unire tra loro sequenze di DNA provenienti da organismi diversi.

- A COSA SERVE LA BIOETICA NELLE BIOTECNOLOGIE?
L'esigenza di riflettere sui vincoli e i confini da porre all’applicazione della biotecnologia • Con la crescita della biotecnologia in molti settori, si è ritenuto necessario formulare delle norme atte a regolamentare i problemi posti dalle innovazioni scientifiche (in particolare la liceità degli esperimenti).

-> CI SONO VARIE TIPOLOGIE DI BIOTECNOLOGIE, COME:
- Biotecnologie tradizionali: sono tecnologie produttive utilizzate da millenni come l'agricoltura, la zootecnica e lo sfruttamento delle attività fermentative dei microrganismi.
-Biotecnologie avanzate: queste tecnologie sono utilizzati in settori di ricerca, soprattutto in campo industriale.
- le biotecnologie oggi:
Le biotecnologie hanno iniziato ovviamente ad evolversi incontrando tantissimi diversi mercati e applicazioni, l’agricoltura ha rappresentato sicuramente una delle prime applicazioni anche delle biotecnologie moderne (come spesso vengono chiamate), migliorando alcune specie di piante e animali mediante l’impollinazione incrociata o con vari incroci genetici. Per oltre un decennio, l’industria delle biotecnologie è stata dominata, o quasi, dall’ingegneria genetica grazie alla tecnologia del DNA ricombinante, in ambito medico si inserivano alcuni geni nelle cellule del paziente, in modo da combattere, silenziare o eliminare l’allele colpevole della malattia. Oggi la scoperta di una molecola complessa chiamata CRISPR CAS-9 potrebbe rimettere nuovamente tutto in discussione riguardo la modifica genomica, accelerando notevolmente alcune ricerche ed espandendo di molto il campo delle possibili applicazioni.

Le biotecnologie hanno reso possibile un’agricoltura più sostenibile, vengono infatti, utilizzare per produrre bio fertilizzanti o bio pesticidi che mantengano la loro efficacia senza però essere dannosi per l’ambiente. Anche in ambito industriale le biotecnologie hanno avuto un forte impatto, spaziando dalla realizzazione di nuovi materiali nell’edilizia e nella produzione di birra, detersivi e prodotti per l’igiene personale.

- In ambito medico ogni giorno vengono pubblicate nuove ricerche che suggeriscono nuove possibili applicazioni delle biotecnologie, specialmente per quanto riguarda la terapia genica, dato che abbiamo iniziato a studiare il DNA non più di 15 anni fa, andando verso un futuro dove combatteremo meglio le malattie e andremo sempre di più verso una medicina personalizzata. Tutte queste scoperte hanno ovviamente posto l’accento su tematiche etiche importanti e a volte difficili da giudicare, un’attenta e corretta divulgazione scientifica è fondamentale per far sì che le decisioni di tutti non vengano influenzate da preconcetti errati, come spesso accade nel mondo del biotech e degli OGM.

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Si definisce tecnologia del DNA ricombinante l’insieme delle tecniche di laboratorio che consentono di isolare e tagliare brevi sequenze di DNA per trasferirle e inserirle nel genoma di altre cellule, in modo da modificarne uno o più geni.
Inoltre, le metodologie odierne consentono di trasferire DNA non solo tra individui della stessa specie, ma anche tra specie diverse, spesso molto differenti l’una dall’altra. Si possono, per esempio, trasferire geni da un batterio a una pianta o introdurre in un batterio un gene proveniente da una cellula eucariotica.
La tecnologia del DNA ricombinante è molto complessa dal punto di vista operativo, ma dal punto di vista concettuale si basa su criteri abbastanza semplici:

identificare il gene;

tagliarlo e isolarlo dalla molecola del DNA;

unire il gene a un vettore a sua volta costituito da DNA;

trasferirlo all’interno di una cellula ricevente.

Gli scopi di questa operazione possono essere diversi: determinare un miglioramento genetico nell’individuo ricevente (per esempio, una maggiore resistenza agli attacchi dei parassiti), oppure utilizzare l’organismo ricevente per clonare il gene introdotto e servirsi della cellula ospite come una «fabbrica» per la produzione di molecole utili.

Alla fine degli anni Sessanta del Novecento si scoprì che alcuni batteri si difendono dall’attacco dei virus producendo particolari enzimi, denominati enzimi di restrizione, che tagliano le molecole di DNA estraneo riducendole in frammenti più piccoli, non infettanti.
Questi agiscono spezzando l'ossatura del DNA in un processo chiamato digestione da restrizione.
La maggior parte degli altri enzimi di restrizione lavora riconoscendo sequenze palindrome e operando un taglio «obliquo» nel filamento di DNA. Come vedremo più avanti, questi tagli «sfalsati» sono fondamentali per ottenere DNA ricombinante.
Per questa loro capacità essi vengono isolati ed esatrtti dalle cellule che li producono per essere utilizzati in laboratorio come "forbici biochimiche"

Per separare i frammenti di DNA dopo il taglio con gli enzimi di restrizione si utilizza un gel di agarosio, un polisaccaride che si ricava dalle alghe, questo processo è conosciuto come elettroforesi su gel.
Il gel è posto in uno stampo di forma rettangolare; a una delle estremità del gel si trovano delle piccole cavità verticali chiamate pozzetti, allineate a formare una fila. Ogni campione, composto da una miscela di frammenti di DNA e colorato con una sostanza blu, viene deposto (o «caricato») in un pozzetto, quindi si applica al gel un campo elettrico, con il polo negativo posizionato vicino ai pozzetti e il polo positivo all’estremità opposta.
Questo gel funziona da setaccio molecolare, ovvero che le molecole piccole migrano attraverso i pori dell'agarosio più velocemente di quelle grandi, questa procedura consente di separare i singoli frammenti ma anche di isolare quello contenente un particolare gene, al fine di ottenere più copie da analizzare e manipolare.

CAMPI DI APPLICAZIONE:
Le applicazioni possono  essere utilizzate in diversi campi:

Medico - sintesi di farmaci, vaccini e antitumorali (l’insulina umana è stata la prima molecola prodotta da un batterio ricombinante), fecondazione artificiale, diagnosi, terapie geniche.

Ambientale/agronomico - trattamento delle acque reflue (bioremediation), piante resistenti a condizioni avverse (parassiti, decomposizione, pesticidi, freddo, siccità).

Industriale - produzione di biocarburanti (bioetanolo, biodiesel), di vitamine e di enzimi, utilizzati in settori come la cosmesi, il tessile e l’alimentare.

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- COS'E' IL DNA FINGERPRINTING?
Il fingerprinting del DNA (o impronta digitale del DNA) è una tecnica che permette l’identificazione individuale a livello molecolare, analizzando le caratteristiche uniche del DNA di un individuo. L’applicazione del fingerprinting del DNA sta rivoluzionando la medicina forense, i test di paternità.
Il termine DNA fingerprinting fu usato per la prima volta nel 1984 da Alec Jeffreys, in analogia con le classiche impronte digitali basate sul disegno di creste sui polpastrelli delle dita, usate tradizionalmente per l’identificazione umana. A differenza del fingerprinting classico, che analizza un tratto fenotipico, la tipizzazione del DNA analizza direttamente informazione genotipica. La tecnica si basa sulla presenza nel DNA umano di sequenze altamente variabili che fanno sì che non esistano due individui (a parte i gemelli identici) con la stessa identica sequenza.

-  COME SI FA IL FINGERPRINTING DEL DNA?
Tutto ciò che è richiesto per poter effettuare il fingerprinting del DNA è un campione di tessuto dal quale possa essere estratto il DNA, come sangue, capelli, frammenti di pelle. Con l’ausilio di una tecnica che amplifica il DNA, la Polymerase Chain Reaction (PCR), è possibile fare il DNA fingerprinting anche a partire da una piccolissima quantità di DNA.
La tecnica del DNA fingerprinting si basa sull’analisi di due tipi di sequenze altamente variabili presenti nel genoma umano, le VNTR (Variable Number Tandem Repeats), e le STR (Short Tandem Repeats). Combinando le informazioni che derivano dall’analisi di più loci VNTR o STR si ottiene un profilo distintivo di una persona, cioè il suo DNA fingerprint.

-  APPLICAZIONI PRATICHE DEL FINGERPRINTING DEL DNA
1. Paternità e maternità -> Poiché una persona eredita le sequenze VNTR dai suoi genitori, i patterns VNTR possono essere usati per stabilire la paternità o la maternità.
2. Medicina forense -> Si può determinare se il DNA isolato da sangue, capelli, sperma, cellule della pelle, o altri campioni biologici lasciati sul posto del crimine appartiene a un determinato sospetto, mediante un paragone dei patterns VNTR, con il DNA di questa persona.
3. Identificazione personale ->  E’ stata presa in considerazione la possibilità di utilizzare i DNA fingerprints come una sorta di codice a barre per identificare gli individui.

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Il Progetto Genoma Umano -->
L’esame delle sequenze ha rivelato alcuni dati di estremo interesse. Il più sorprendente è che il nostro genoma contiene dai 28 000 ai 30 000 geni, contro i circa 100 000 che i genetisti ritenevano plausibili in precedenza. A fronte di questo scarso numero di geni, è emerso che circa il 98% del DNA umano è costituito da sequenze che non vengono mai tradotte in polipeptidi. Per questo tipo di DNA all’inizio era stato coniato il poco lusinghiero nome di «DNA spazzatura» (junkDNA).
Alcune sequenze importanti del junk DNA sono:
• i telomeri e i centromeri
• gli introni
• le sequenze coinvolte nella regolazione dell’espressione genica
• gli pseudogeni
• i trasposoni
• le sequenze ripetute
Il Progetto Genoma Umano ha permesso di sequenziare l’intero DNA della nostra specie e di scoprire molte informazioni in proposito: i geni presenti sono meno di quanti ci si aspettasse, solo il 2% del DNA viene tradotto in proteine, ma il genoma rimanente non è junk DNA, bensì ricopre ruoli regolatori fondamentali.
Vettori plasmidici  = il clonaggio mediante vettore plasmidico consiste nel trattare sia il plasmide che il DNA da clonare mediante uno stesso enzima di restrizione. In questo modo il vettore plasmidico viene linearizzato, cioè perde la sua normale struttura circolare
Librerie genomiche = I vettori ricombinanti così ottenuti vengono introdotti nei batteri e iniziano a moltiplicarsi al loro interno. La serie di vettori contenenti ciascuno un frammento dell'intero DNA è detta libreria genomica.
Proteomica = La proteomica consiste nell'identificazione sistematica di proteine e nella loro caratterizzazione
Libreria cDNA = Una libreria di cDNA è un insieme di cloni che rispecchiano l'espressione di una cellula

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-Le DNA ligasi uniscono i frammenti di DNA
Attraverso gli Enzimi DNA ligasi è possibile unire i frammenti di restrizione e ottenere un DNA ricombinante che contiene sequenze provenienti da fonti diverse

-Vettori plasmidici e virus
Uno dei compiti dei biologi molecolari è individuare e isolare nelle cellule e nei geni le funzioni interessanti.

IL CLONAGGIO DEI GENI
Uno degli scopi della tecnologia del DNA ricombinante è il clonaggio, cioè la produzione di un particolare gene allo scopo di analizzarlo o per ottenere grosse quantità del prodotto che codifica.
Il DNA ricombinante deve essere inserito in cellule ospiti che in seguito a tale modifica sono chiamate transgeniche. Una volta scelta la specie ospite, il DNA ricombinante è messo a contatto con una popolazione di cellule ospiti e , in condizioni opportune, penetra in alcune di esse.
Un metodo per poter riconoscere le cellule contenenti DNA ricombinante è quello di contrassegnare la sequenza inserita con geni reporter; esempi di geni reporter sono la resistenza a determinati antibiotici o la proteina fluorescente verde.

- I vettori introducono nuovo DNA nelle cellule ospiti
Un frammento di DNA appena inserito si può integrale in un replicone in due modi:
- il frammento, dopo essere penetrato nella cellula, si può inserire in un cromosoma ospite in prossimità di un sito di origine della duplicazione.
-il frammento di DNA può entrare nella cellula ospite come parte integrante di una sequenza di DNA trasportatrice ( UN VETTORE) che possiede già in origine della duplicazione adatta.

Il vettore deve avere delle caratteristiche:
- essere capace di duplicarsi in modo indipendente nella cellula ospite;
- possedere una sequenza di riconoscimento per un enzima di restrizione che lo possa tagliare e combinare con il nuovo DNA;
- contenere un gene reporter che ne segnali la presenza nella cellula ospite;
- avere dimensioni minori dei cromosomi dell'ospite.
I vettori che hanno queste caratteristiche sono I PLASMIDI.
I plasmidi hanno piccole dimensioni e spesso contengono un'unica sequenza di riconoscimento per un dato enzima di restrizione.

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agricoltura
zootecnia
medicina
produzione di alimenti.
Le cellule come fabbriche di farmaci --> i biologi utilizzano vettori di espressione affinché un gene estraneo si esprima nella cellula ospite. Una volta inserite le sequenze appropriate, un gene trasfettato da tale vettore potrà essere fatto esprimere in ogni tipo di cellula ospite.
Per questo motivo i vettori di espressione hanno applicazioni biotecnologiche molto variegate.
pharming = la produzione di farmaci proteici prodotti da animali transgenici.
Attraverso i vettori di espressione è possibile far produrre in gran quantità farmaci e prodotti medici ai batteri; il pharming consiste nella produzione di farmaci proteici prodotti da animali transgenici.

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- Le biotecnologie modificano l'agricoltura
La moderna tecnologia del DNA ricombinante consente, di intervenire in agricoltura agendo direttamente su specifici geni e questo approccio permette di avere tempi molto più rapidi e risultati più controllabili.
Un esempio è la produzione di specie resistenti ai parassiti e alle infezioni virali, le quali possono essere coltivate riducendo l'utilizzo di insetticidi e di erbicidi, come le specie vegetali Bt, oppure un'altra applicazione riguarda la manipolazione delle specie cereali per ottenere caratteristiche nutrizionali potenziate o che siano in grado di produrre farmaci utili, come il Golden Rice.

La clonazione animale -->
le biotecnologie permettono di clonare interi organismi; in questo caso si parla di clonazione, per distinguerla dal clonaggio del DNA
L'idea della clonazione di un interno organismo è recente. Nel 1938, l'embriologo Hans Spemann    fece un esperimento che definì "fantastico" proprio perché, per lui, era irrealistico  : asportare il nucleo di una cellula uovo e sostituirlo con quello di una cellula somatica, per ottenere una sorta di cellula fecondata da far sviluppare e ottenere un adulto geneticamente identico a quello da cui era stato preso il nucleo.
Nel 1952 R. Briggs e T. King riuscirono a ad asportare il nucleo da una cellula uovo di rana senza danneggiare la cellula. Con la stessa tecnica poi riuscirono a impiantare nella cellula uovo un nucleo prelevato da una cellula embrionale di un'altra rana. Non riuscirono ad ottenere alcun animale. Nel 1986 Willadsen, embriologo danese, riuscì a clonare una pecora usando il nucleo di una cellula prelevata da un embrione in fase precoce dello sviluppo.
Nel 1997 il ricercatore Wilmut attirò l'attenzione scientifica, in seguito ad un articolo in cui annunciava di aver clonato una pecora a partire da una cellula adulta e non embrionale: si trattava di Dolly. L'unico accorgimento particolare che fece fu di lasciare per alcuni giorni in carenza di nutrimento le cellule candidate a fornire il nucleo per il trapianto, per sbloccare il ciclo cellulare e utilizzò come "madre in affitto" una pecora di razza diversa da quella che aveva fornito il nucleo cellulare, in modo da avere una prova della reale origine di Dolly.  Dal Duemila in poi, la lista delle specie clonate si è allungata e oggi comprende macachi, topi, mucche, gatti, cavalli e cammelli.
La clonazione animale apre numerose opportunità: dalla propagazione di razze animali dotate di specifiche caratteristiche favorevoli alla zootecnia, alla generazione di animali transgenici per la produzione di molecole utili, fino alla conservazione di specie in via di estinzione.  Finora nessuno ha mai clonato un essere umano e la clonazione umana a scopo riproduttivo è oggi vietata nella maggior parte degli Stati.
La clonazione è la produzione di organismi geneticamente identici a quello di partenza; il primo mammifero clonato fu la pecora Dolly, clonata nel 1997 dal ricercatore Ian Wilmut.

- Uno sguardo al futuro
La ricerca nel campo della biologia molecolare e delle biotecnologie ha portato a esplorare campi di studio del tutto nuovo e inaspettati; tra questi importanti vi è la bioinformatica e lo studio dell'interferenza dell'RNA.
la bionformatica è un ambito comprende tutti i risvolti dell'informatica applicati al  campo della biologia molecolare. Negli anni si è rilevata un prezioso strumento per archiviare e gestire l'enorme quantità di dati che derivano dalle analisi genetiche. Il sequenziamento di genomi sempre più complessi, è stato reso agevole proprio dai progressi in questo campo, così come la comparazione di genomi diversi.
Grazie ad essa è estato rivisto l'albero evolutivo delle specie viventi; la genomica comparata ha consentito ai ricercatori di individuare parentele evolutive che sfuggivano ai metodi di analisi precedenti.
ma soprattutto, la genomica ha consentito di avvicinarsi allo studio di come il genoma una cellula che fa parte di un organismo pluricellulare possa modificare nel tempo il proprio pattern di espressione: sebben il genoma resti lo stesso per ogni cellula, il trascrittoma e il proteoma possono cambiare in modo sostanziale. Queste sono conoscenze che si stanno rivelando fondamentali per lo studio dello sviluppo degli organismi viventi e dei meccanismi d'insorgenza di patologie come i tumori.
Attraverso l'uso dei computer è stato possibile potenziare gli strumenti della biologia molecolare; la bioinformatica applicata alla genomica ha permesso di rivedere l'albero evolutivo delle specie viventi e di analizzare migliaia di dati di breve tempo.

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7. Quali sono i principali vantaggi per l'uomo?

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7. Quali sono i principali vantaggi per l'uomo?

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Le biotecnologie consentono di proteggere in maniera più efficace la nostra salute
• nuovi farmaci sviluppati: vaccini più sicuri, medicinali contro disfunzioni metaboliche a base genetica,
• trattamenti contro diverse forme di epatite,
• antitumorali più efficaci e meno dannosi per l’organismo,
• stimolatori delle difese immunitarie in caso di loro abbassamento e regolatori delle stesse in caso di  funzionamento eccessivo.

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• Red biotechnology:
È il settore applicato ai processi biomedici e farmaceutici. Alcuni esempi sono l'individuazione di organismi in grado di sintetizzare farmaci o antibiotici, oppure lo sviluppo di tecnologie di ingegneria genetica per la cura di patologie.
• White biotechnology/grey biotechnology:
È la branca che si occupa dei processi biotecnologici di interesse industriale. Ad esempio, la costituzione di microrganismi in grado di produrre sostanze chimiche.
• Green biotechnology:
È il settore applicato ai processi agricoli. Tra le applicazioni, figura la modificazione di organismi per renderli in grado di crescere in determinate condizioni ambientali o nutrizionali. Lo scopo di questo settore è quello di produrre soluzioni agricole aventi un impatto ambientale minore rispetto ai processi agricoli classici.