Presentazione Biotecnologie

Classe 5H

Le biotecnlogie

08. Depurazione acque fognarie

Indice

01. Cosa sono le biotecnologie

02. Aspetti positivi e negativi delle biotecnologie sull'ambiente

03. Aspetti positivi e negativi delle biotecnologie in medicina

04. Critiche e rischi

05. Biotecnologie in campo farmaceutico

06. Biotecnologia nel campo agricolo

07. Biotecnologie nel campo forense

01. Cosa sono le biotecnolgie

Etimolgia La parola “biotecnologia” deriva dal greco e si compone di due parti principali: 1. “Bio-” (βίος, “bíos”): significa “vita” o “vivente”. 2. ”-tecnologia” (τεχνολογία, “technología”): è un termine greco che unisce “techne” (τέχνη), che significa “arte”, “abilità” o “tecnica”, e “logia” (λογία), che significa “studio” o “scienza”.

In questa definizione sono comprese tecnologie produttive antichissime (biotecnologie tradizionali) che hanno accompagnato l'uomo fin dai tempi più remoti. Migliaia di anni fa l’uomo ha iniziato a produrre birra, vino e pane e a trasformare il latte in yogurt e formaggio. Gli antichi Sumeri e Babilonesi producevano birra sin dal 6.000 a.C. e gli Egizi cuocevano pani lievitati sin dal 4.000 a.C..I nostri antenati non conoscevano però i meccanismi alla base della trasformazione di prodotti naturali in cibi e bevande tramite lievitazione e fermentazione. Tentativi di spiegare alcuni fenomeni come la trasformazione del vino in aceto furono affrontati da una nutrita schiera di studiosi di alchimia, ma la comprensione di questi fenomeni non andava al di là dell'ipotesi dell'esistenza di fantomatici "fermenti" che avevano queste strane proprietà trasformanti. Comunque le numerose osservazioni, prove e ricerche degli alchimisti contribuirono allo sviluppo della chimica che sorse verso la fine del '700.

Cosa sono?La biotecnologia è un campo multidisciplinare che utilizza organismi viventi, cellule o loro componenti per sviluppare prodotti e processi innovativi che hanno applicazioni in vari settori, come la medicina, l’agricoltura, l’industria e l’ambiente. In altre parole, è l’applicazione di tecniche biologiche per risolvere problemi pratici e migliorare la qualità della vita. Le biotecnologie si basano su conoscenze provenienti da discipline come la biologia, la genetica, la chimica e l’ingegneria, e possono essere suddivise in diverse aree, tra cui: 1. Biotecnologia rossa: applicazioni in campo medico e sanitario, come la produzione di farmaci, vaccini e terapie genetiche. 2. Biotecnologia verde: applicazioni in agricoltura, come la creazione di piante geneticamente modificate per aumentare la resa o resistere a malattie e parassiti. 3. Biotecnologia bianca: applicazioni industriali, come l’uso di microrganismi per la produzione di enzimi, biocarburanti o bioplastiche. 4. Biotecnologia blu: applicazioni legate agli ambienti acquatici, come la gestione delle risorse marine o la produzione di nuovi farmaci derivati da organismi marini.

Il Novecento si apre con la produzione industriale di lievito ottenuto mediante la fermentazione aerobica. La storia delle biotecnologie del ventesimo secolo inizia con la seconda guerra mondiale, periodo in cui c'era l'urgenza di produrre qualcosa di disponibile in grande quantità per curare i numerosi feriti. Questa necessità portò alla collaborazione di scienziati e ingegneri per sviluppare il processo di produzione della penicillina, l'antibiotico scoperto già nel 1928 a Londra da Alexander Fleming, (vedi immagine) il quale aveva capito che una muffa (penicillum notatum) produceva una sostanza che impediva ai batteri di crescere. Egli trovò infatti che in una coltura di stafilococchi, inavvertitamente esposta all'aria, si era sviluppata una muffa verdastra attorno alla quale le colonie batteriche erano scomparse. Nello stesso periodo iniziano ad essere condotti in condizione sterili i processi biotecnologici per la cultura massiva di organismi microbici; queste tecniche eliminavano il rischio di contaminazione da parte di altri organismi. Fra i prodotti ottenuti in condizioni sterili ricordiamo gli amminoacidi, gli acidi organici, gli enzimi, gli steroidi, i polisaccaridi, gli anticorpi monoclonali, i vaccini e gli antibiotici.

Il novecento

01. Cosa sono le biotecnolgie

LA SVOLTA DELLA SECONDA META’ DELL’800Nel 1856 fu chiesto a un giovane chimico francese , Louis Pasteur di trovare un modo per evitare l'inacidimento di grandi quantità di vino che generalmente avveniva durante la fermentazione dl mosto. Pasteur identificò e isolò l'agente responsabile della trasformazione del mosto in vino: un organismo unicellulare chiamato lievito. Il merito più grande di questo scienziato fu nel fatto che il suo lavoro era stato condotto con metodi scientifici, e non provando a caso o fidandosi della tradizione. Egli poneva finalmente le biotecnologie su rigorose basi razionali e scientifiche. La seconda metà dell'800 è ricca di scoperte e intuizioni basilari per la biotecnologia moderna: Mendel formula le leggi fondamentali della genetica e poi Miescher scopre l'esistenza di acidi nucleici nelle cellule.

01. Cosa sono le biotecnolgie

LE NUOVE SCOPERTE DEL DOPOGUERRA

Watson

Nel 1953, Watson e Francis Crick concepiscono un modello di DNA a doppia elica che permette di ipotizzare il meccanismo della duplicazione del materiale genetico, ponendo così le basi molecolari dell'ereditarietà. Nel 1963 Edward L.Tatum, fondatore della "genetica biochimica" suddivide l'ingegneria genetica in tre categorie principali per modificare gli organismi: • Eugenica (ricombinazione di geni esistenti); • Ingegneria genetica (produzione di nuovi geni per un processo di mutazione diretta); • Ingegneria Eufenica (modificazione o controllo dell' espressione genetica). Alle tecnologie "classiche" si affiancano biotecnologie innovative in cui vengono utilizzate tecniche di manipolazione del materiale genetico (ingegneria genetica) con numerose applicazioni in campo scientifico e industriale.

LE NUOVE SCOPERTE DEL DOPOGUERRA

Anni 60 e 70

Anni 60 e 70

Negli anni '60 si riconosceva la presenza di enzimi batterici per la riparazione del DNA e per la ricombinazione genetica. Il processo di riparazione per "taglio e rattoppo" è scoperto da Setlow. Gli enzimi di restrizione tagliano il DNA lesionato, mentre la DNA polimerasi inserisce nucleotidi complementari fissati dalla DNA ligasi. Nasce così l'ingegneria genetica alla fine degli anni '70, utilizzando il DNA ricombinante per creare molecole genetiche nuove. Nel 1972 Berg, Jackson e Symons ottengono la prima ricombinazione, fondando l'ingegneria genetica. Nel 1973, Cohen, Boyer, Helling e Clang creano un plasmide ricombinante funzionante nel batterio permettendo l'analisi del DNA di organismi superiori. Tecnologie di clonaggio, come quella di Hogness, diventano popolari per identificare e isolare geni replicati. Cohen e Milstein nel 1975 producono anticorpi in vitro. Essenzialmente, gli anni '60 e '70 vedono importanti progressi nella genetica, dalla scoperta dei meccanismi di riparazione del DNA all'ingegneria genetica e al clonaggio di molecole di DNA ricombinante per scopi di analisi e produzione di anticorpi.

Qualche anno fa ha avuto inizio il progetto Genoma che si è posto un obiettivo ambizioso: prendere due metri di DNA che ognuno di noi porta in ogni sua cellula, strettamente avvolti in 46 cromosomi, srotolarli e "decodificarli". Disseminati lungo la catena si trovano centomila geni umani,tutte le istruzioni che servono per costruire e tenere in vita ognuno di noi. Non solo: c'è scritto anche a quali malattie siamo predisposti, quanto a lungo possiamo vivere,che tipo di personalità abbiamo. Sulla catena c'è perfino la storia della nostra specie. Gli scienziati studiano i geni umani per ripararli in caso di malfunzionamento in modo da eliminare le malattie ereditarie. La totale conoscenza del DNA è fondamentale per capire come funziona l'organismo nei più piccoli dettagli, imparando quindi a comprendere sempre meglio i meccanismi della vita.

L’OBIETTIVO DI OGGI

01. Cosa sono le biotecnolgie

Biotecnologie antiche

Già in tempi preistorici venivano, infatti, preparate bevande e cibi fermentati. Migliaia di anni fa l’uomo ha iniziato a produrre birra, vino e pane e a trasformare il latte in yogurt e formaggio. Gli antichi Sumeri e Babilonesi producevano birra sin dal 6.000 a.C. e gli Egizi cuocevano pani lievitati sin dal 4.000 a.C..I nostri antenati non conoscevano però i meccanismi alla base della trasformazione di prodotti naturali in cibi e bevande tramite lievitazione e fermentazioneLouis Pasteur, comprende e descrive eventi usuali, ma fino ad allora misteriosi, quali la preparazione della birra o la fermentazione del latte, individuando i microrganismi responsabili delle trasformazioni. Tra le tecnologie più rilevanti troviamo la fermentazione alcolica e la fermentazione lattica, che sono alla base di molti prodotti alimentari e bevande ancora oggi. La fermentazione alcolica è un processo metabolico in cui i lieviti e alcuni batteri trasformano gli zuccheri (glucosio, fruttosio) in alcool etilico e anidride carbonica. Questo processo avviene in assenza di ossigeno ed è fondamentale nella produzione di: • Vino (fermentazione del mosto d'uva) • Birra (fermentazione del malto e del luppolo) • Sidro (fermentazione del succo di mela) • Distillati (derivati dalla fermentazione di cereali, frutta o altri vegetali) La fermentazione lattica avviene grazie a batteri lattici che convertono gli zuccheri in acido lattico. Questo processo è cruciale per la produzione di molti alimenti fermentati, conferendo sapore, aumentando la conservabilità e migliorando la digeribilità. È utilizzato per: • Yogurt (fermentazione del latte con batteri come Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus) • Formaggi (vari stadi di fermentazione lattica) • Kefir (una bevanda probiotica a base di latte) • Pane a lievitazione naturale (fermentazione lattica e alcolica del lievito madre )

02. Aspetti positivi e negativi delle biotecnologie sull'ambiente

03. Aspetti positivi e negativi delle biotecnologie in medicina

Le biotecnologie in medicina hanno trasformato il modo in cui le malattie vengono diagnosticate, trattate e prevenute. 1. Diagnosi più precise e rapide Le tecniche biotecnologiche, come la diagnostica molecolare, permettono di identificare malattie con maggiore precisione, anche nelle fasi iniziali. 2. Sviluppo di nuovi farmaci e vaccini Tecnologie come l’ingegneria genetica hanno accelerato la scoperta di farmaci innovativi e vaccini, come quelli basati sull’mRNA utilizzati contro il COVID-19, garantendo risposte rapide a emergenze sanitarie. 3. Rigenerazione dei tessuti e organi L’uso di cellule staminali e l’ingegneria dei tessuti consentono di creare organi artificiali e riparare tessuti danneggiati, offrendo nuove speranze per i trapianti e il trattamento di malattie degenerative. 4. Riduzione dei costi sanitari a lungo termine Sebbene inizialmente costose, le terapie biotecnologiche riducono i costi complessivi della sanità, grazie a diagnosi precoci e trattamenti più efficaci che limitano le complicazioni a lungo termine.

03. Aspetti positivi e negativi delle biotecnologie in medicina

Tuttavia, il loro utilizzo comporta potenziali rischi:1. Rischi etici e sociali Tecniche come la modifica genetica e la clonazione sollevano questioni etiche significative, legate alla possibilità di alterare l’identità genetica umana, creare “designer babies” o intervenire sulle caratteristiche ereditabili. 2. Accesso limitato e disuguaglianze Le terapie biotecnologiche sono spesso costose e non accessibili a tutti, creando disparità tra paesi sviluppati e in via di sviluppo e tra classi sociali. 3. Resistenza ai farmaci L’uso eccessivo di farmaci biotecnologici, come gli antibiotici modificati, potrebbe accelerare l’insorgenza di ceppi resistenti di batteri o virus, rendendo più difficili le cure in futuro. 4. Dipendenza da tecnologie avanzate La crescente complessità delle biotecnologie richiede infrastrutture e competenze altamente specializzate, che non sono disponibili ovunque. Questo può rallentare l’adozione di queste innovazioni su scala globale.

04. Critiche e rischi

Le biotecnologie, pur offrendo progressi significativi in vari settori, presentano diversi aspetti negativi che richiedono attenzione. Ecco una sintesi dei principali contro: 1. Rischi per la salute e l’ambiente • Impatto incerto degli OGM Gli organismi geneticamente modificati (OGM) possono contaminare le colture naturali, riducendo la biodiversità e alterando gli equilibri degli ecosistemi. Ad esempio, la diffusione di piante OGM potrebbe soppiantare specie autoctone, con conseguenze ecologiche difficili da prevedere. • Resistenza agli antibiotici L’uso di geni resistenti agli antibiotici negli OGM potrebbe trasferirsi a batteri patogeni. Questo fenomeno aumenta il rischio di infezioni resistenti ai trattamenti convenzionali, compromettendo la salute pubblica. • Effetti a lungo termine sconosciuti Molte biotecnologie, incluse quelle applicate agli alimenti e alla medicina, non sono state testate per periodi sufficientemente lunghi da garantirne la sicurezza. Questo crea incertezza sugli effetti futuri, sia sull’ambiente che sull’uomo. 2. Questioni etiche e sociali • Manipolazione genetica Tecnologie come il gene editing sugli embrioni umani sollevano interrogativi morali profondi. Interventi sul DNA possono alterare in modo irreversibile le caratteristiche genetiche delle future generazioni, con implicazioni etiche e culturali importanti. • Disuguaglianze sociali Le biotecnologie avanzate rischiano di essere accessibili solo ai paesi sviluppati o alle élite economiche. Questo potrebbe ampliare il divario tra ricchi e poveri, accentuando le disuguaglianze globali. • Brevetti e monopoli Le biotecnologie sono spesso controllate da poche grandi multinazionali che detengono i brevetti su piante, farmaci e tecnologie. Ciò potrebbe limitare l’accesso ai benefici, rendendo i progressi biotecnologici inaccessibili per molti e concentrando il potere economico nelle mani di pochi.

c) Terapie Geniche e Cellulari Queste terapie mirano a correggere difetti genetici o a rigenerare tessuti danneggiati. ● Terapia genica: Implica l'inserimento, la rimozione o la modifica di materiale genetico all'interno delle cellule per trattare malattie genetiche come la fibrosi cistica e la distrofia muscolare. ● Terapie con cellule staminali: Utilizzate per trattare malattie come la leucemia, e potenzialmente malattie neurodegenerative come il morbo di Parkinson. d) RNA e mRNA Le terapie a base di RNA, come quelle che utilizzano mRNA, sono emerse in modo significativo con i vaccini per il COVID-19, ma hanno applicazioni anche in altre aree, come il trattamento di malattie genetiche rare e la terapia oncologica. L'mRNA funziona istruzioni per la cellula per produrre proteine terapeutiche.

Le biotecnologie hanno rivoluzionato la medicina moderna, con applicazioni che vanno dalle malattie rare a oncologia, immunologia e malattie infettive. Ecco alcune delle principali aree terapeutiche: a) Farmaci Biologici I farmaci biologici sono prodotti utilizzando organismi viventi e comprendono: ● Proteine terapeutiche: come gli ormoni (insulina), fattori di crescita e enzimi (ad esempio, l'enzima alfa-galattosidasi per il trattamento della malattia di Fabry). ● Vaccini biologici: ad esempio, i vaccini a mRNA (come quelli per il COVID-19) che contengono materiale genetico per stimolare il sistema immunitario a produrre risposte protettive. b) Anticorpi Monoclonali Gli anticorpi monoclonali sono progettati per legarsi a specifiche molecole e bloccare processi patologici. Sono usati per il trattamento di malattie come: ● Tumori: Farmaci come il trastuzumab (Herceptin) e il rituximab (Rituxan) per il trattamento di vari tipi di cancro. ● Malattie autoimmuni: Come l'infliximab (Remicade) per la malattia di Crohn e l'artrite reumatoide.

La produzione di farmaci biotecnologici implica diverse fasi complesse: 1. Scoperta e sviluppo preclinico: Identificazione di nuovi target terapeutici (proteine, recettori, enzimi) e sviluppo di molecole (anticorpi, enzimi, proteine ricombinanti). 2. Fase clinica: Gli studi clinici (Fase I, II, III) servono a valutare la sicurezza e l'efficacia dei farmaci su soggetti umani, con la fase finale destinata alla comparazione con farmaci esistenti o placebo. 3. Produzione e purificazione: Una volta approvato il farmaco, la produzione avviene tramite fermentazione o coltura cellulare, seguita da un processo di purificazione per ottenere una sostanza farmacologicamente attiva. 4. Regolamentazione e approvazione: I farmaci biotecnologici devono essere approvati da agenzie regolatorie come la FDA negli Stati Uniti, l'EMA in Europa, o altre autorità nazionali, che stabiliscono la sicurezza, l'efficacia e la qualità del prodotto.

Le biotecnologie farmaceutiche si basano sull'uso di organismi viventi o componenti di essi (come DNA, proteine, cellule, enzimi) per produrre farmaci, vaccini, anticorpi monoclonali e altre soluzioni terapeutiche. Questo settore integra diverse discipline come la genetica, la microbiologia, la biologia molecolare, la biochimica e l’ingegneria genetica. Gli approcci principali includono: ● Ingegneria genetica: Manipolazione di geni per produrre proteine terapeutiche. ● Cellule staminali e terapie cellulari: Utilizzo di cellule per rigenerare tessuti danneggiati o trattare malattie degenerative. ● Anticorpi monoclonali: Proteine progettate per legarsi a specifici bersagli molecolari, come recettori di cellule tumorali, per trattare varie malattie. ● RNA e DNA terapeutici: Terapie basate sull'introduzione di materiale genetico per modificare il comportamento cellulare, come nelle terapie geniche e con RNA messaggero (mRNA).

05. Biotecnologie in campo farmaceutico

06. Biotecnologia nel campo agricolo

La biotecnologia agricola comprende l'applicazione di tecniche biotecnologiche per migliorare la produzione agricola, la qualità degli alimenti e la gestione ambientale. Queste tecnologie sono utilizzate quotidianamente in vari aspetti dell'agricoltura. Ecco alcune delle principali applicazioni di biotecnologie di uso quotidiano in campo agricolo: • Piante Geneticamente Modificate (OGM): Resistenza agli insetti, erbicidi e miglioramento della resistenza alle malattie e alle condizioni climatiche. • Ripristino Ambientale: Le biotecnologie possono essere utilizzate per migliorare la qualità del suolo e delle acque, riducendo l’impatto dell’agricoltura sull’ambiente. • Tecnologie di Miglioramento Genetico Tradizionale: tecniche di mutagenesi e la selezione assistita da marcatori permettono di selezionare varietà più produttive e resistenti, riducendo il bisogno di trattamenti chimici. • Biocombustibili: utilizzati per sviluppare colture ad alta resa da cui ottenere bioetanolo e biodiesel. • Prodotti Alimentari Funzionali: è possibile migliorare la qualità nutrizionale dei prodotti agricoli, come ad esempio pomodori arricchiti di licopene o riso arricchito di vitamine La biotecnologia svolge un ruolo cruciale anche nell’allevamento degli animali, con applicazioni che mirano a migliorare la salute degli animali, la produttività e l'efficienza. Tale miglioramento genetico si ottiene attraverso tecniche come la selezione assistita da marcatori (MAS) e l'editing genetico consente di ottenere animali con caratteristiche desiderabili, come: • Aumento della produttività • Resistenza alle malattie • Miglioramento delle caratteristiche nutrizionali

07. Biotecnologie nel campo forense

La collaborazione tra le Forze dell'Ordine e la ricerca biologica ha migliorato le indagini forensi, in particolare attraverso l'uso delle biotecnologie per l'identificazione personale e la ricerca della paternità. In passato, i marcatori enzimatici usati per questo scopo erano limitati poiché facilmente deteriorabili e raccolti in modo impreciso. Tuttavia, l'introduzione del DNA e delle moderne tecniche biotecnologiche come l'elettroforesi su gel e la PCR ha rivoluzionato le indagini forensi. I materiali genetici raccolti sulla scena del crimine, come sangue o fluidi biologici, vengono analizzati per estrarre il DNA dell'assassino e confrontarlo con quello dei sospetti. Grazie alla struttura a doppia elica del DNA, è possibile amplificarlo rapidamente utilizzando la PCR, che sfrutta un enzima specifico per duplicare il DNA in grandi quantità. Questo metodo ha permesso di sviluppare un sistema per determinare l'impronta genetica di un individuo a partire dal DNA amplificato, tramite l'elettroforesi su gel. In questo modo, la tecnologia biotecnologica ha notevolmente migliorato l'efficacia delle indagini forensi e ha contribuito a risolvere numerosi casi di criminalità.

08. Depurazione acque fognarie

Le biotecnologie applicate alla depurazione delle acque fognarie si basano sull’utilizzo di organismi viventi, come batteri, funghi e alghe, per trattare e purificare le acque contaminate. Queste tecniche sono utilizzate per rimuovere sostanze organiche, nutrienti, metalli pesanti e altri inquinanti dalle acque reflue. Alcune delle principali applicazioni biotecnologiche nella depurazione delle acque fognarie sono: - trattamento biologico delle acque fognarie=si fonda sull’azione di batteri aerobici e anaerobici che decompongono i composti organici presenti nelle acque reflue. Esistono due principali metodi: il trattamento aerobico, in cui i batteri si nutrono di materia organica in presenza di ossigeno, riducendo il carico inquinante, che avviene in impianti dove l’ossigeno è fornito artificialmente; il trattamento anaerobico, in cui i batteri operano in assenza di ossigeno e sono utilizzati principalmente per trattare acque con alte concentrazioni di materia organica, i processi biologici avvengono in ambienti chiusi e senza ossigeno. - biodegradazione di inquinanti specifici=alcuni inquinanti, come pesticidi, solventi o metalli pesanti, possono essere trattati utilizzando specifici ceppi batterici in grado di degradarli o immobilizzarli. Questo approccio può essere usato per bonificare acque contaminate da sostanze difficili da trattare tramite metodi tradizionali. - Fitodepurazione= sfrutta l’azione di piante e micro alghe per purificare le acque. Le piante, attraverso le loro radici, possono assorbire nutrienti come azoto e fosforo, riducendo il rischio di eutrofizzazione nelle acque riceventi. Le micro alghe, in particolare, possono essere impiegate per la rimozione di composti organici e nutrienti, oltre a produrre ossigeno e contribuire alla purificazione. Le biotecnologie per la depurazione delle acque fognarie includono anche dei vantaggi, quali: bassi costi operativi rispetto ad altre tecniche; un ridotto impatto ambientale, in quanto non richiedono l’uso di sostanze chimiche aggressive; la possibilità di recuperare risorse, come biogas o fertilizzanti.

Quindi, “biotecnologia” letteralmente significa “tecnologia della vita” o “arte della vita”, ed è il campo che studia e applica tecniche scientifiche e ingegneristiche per utilizzare organismi viventi o sistemi biologici per sviluppare o creare prodotti e processi utili, come nel settore medico, agricolo e industriale.