Le biotecnologie: innovazioni e applicazioni in salute e industria

Le biotecnologie per la salute: le biotecnologie si possono applicare per la cura della salute, la diagnostica e la terapia.

Diagnosi con anticorpi monoclonali

Diagnosi con anticorpi monoclonali: per la diagnostica si utilizzano gli anticorpi monoclonali, ovvero molecole prodotte in laboratorio che riconoscono uno specifico antigene (es.

virus). Questi anticorpi vengono prodotti fondendo una cellula tumorale con una plasmacellula (derivante di solito da topi in cui è stato iniettato l’antigene al quale reagire) che secerne anticorpi diretti contro un antigene specifico: si ottiene così un ibridoma (cellula ibrida) che può duplicarsi fino all’infinito e produrre, quindi, grandi quantità di anticorpi. Facendo moltiplicare l’ibridoma in vitro e purificando gli anticorpi si ottengono gli anticorpi monoclonali (questo perché derivanti da una sola cellula). Se invece si utilizza una miscela di ibridomi diversi allora si ottengono anticorpi policlonali.

Gli anticorpi monoclonali si usano per diagnosticare parassitosi o l’assunzione di certe droghe (che permangono per più di tre mesi nelle cellule di un capello), per terapie immunosoppressive (per sopprimere fenomeni di rigetto dopo un trapianto – gli anticorpi si legano e inibiscono alcune molecole che attivano le cellule responsabili del rigetto) e per uccidere cellule tumorali (attraverso l’aiuto di farmaci con sostanze dannose – es. chemioterapia).

Diagnosi con biosensori

Diagnosi con biosensori: i biosensori sono dispositivi in grado di rilevare particolari sostanze grazie alla trasformazione di un segnale biologico in uno chimico-fisico (es. glucometro, strumento usato per misurare la glicemia). Il biosensore è costituito da una componente biologica (es. enzima, anticorpo) legata ad una componente non biologica detta trasduttore, che rileva variazioni fisico-chimiche e le trasforma in un segnale interpretabile. La componente biologica riconosce precisamente la sostanza da analizzare e può legarsi ad essa o può reagire subendo cambiamenti.

Diagnosi con sonde nucleotidiche

Diagnosi con sonde nucleotidiche e PCR: le sonde nucleotidiche possono individuare rapidamente infezioni virali o batteriche (es. herpes) e possono anche diagnosticare alcuni tipi di tumori o malattie genetiche o, prima della nascita di un bambino, l’anemia falciforme. In alcuni casi al posto delle sonde si utilizza la tecnica della PCR, veloce ed economica, che individua la presenza di un determinato tratto di genoma in un campione.

Trapianti di cellule e medicina rigenerativa

Trapianti di cellule: utilizzando la coltura cellulare si possono produrre cellule utili per curare patologie, come nel caso della leucemia: rimosse dall’organismo malato le cellule cancerogene, esse vengono sostituite da cellule sane di un donatore riprodotte in vitro. Per un trapianto cellulare è anche possibile ottenere cellule staminali dal cordone ombelicale che, se stimolate con appositi fattori di crescita, possono svilupparsi nei tessuti desiderati. La produzione di tessuti in vitro per il trapianto va sotto il nome di medicina rigenerativa, di cui l’Italia è uno dei paesi più all’avanguardia.

Terapia genica e sue tecniche

Terapia genica: la terapia genica ha come obiettivo la cura di malattie genetiche, introducendo geni sani al posto di quelli non funzionanti del paziente, oppure disattivando geni che funzionano in modo anomalo. Si possono utilizzare diverse tecniche:

- La terapia genica somatica > ancora sperimentale per alcune malattie, prevede il prelievo di alcune cellule dal paziente che vengono coltivate in vitro, poi geneticamente modificate e reintrodotte nel paziente;

- Modificazione a livello embrionale > è possibile modificare geneticamente le cellule anche a livello embrionale, ma porterebbe a grandi implicazioni bioetiche (conseguenze non prevedibili nella vita del singolo e della discendenza);

- Tecnologia antisenso > sfrutta brevi sequenze di RNA antisenso (cioè complementare ad un mRNA) in grado di impedire la sintesi di una proteina con un meccanismo detto interferenza a RNA (RNAi). In pratica l’RNA antisenso si ibrida con l’mRNA formando un dsRNA (a doppio filamento) che viene spezzettato dall’enzima Dicer fino alla degradazione dell’mRNA. Questa tecnica viene utilizzata per silenziare in modo mirato determinati geni.

Terapie anticancro e ricerca

Terapie anticancro: molti centri di ricerca stanno sviluppando terapie anticancro. Nel nostro organismo esistono due geni che controllano l’orologio cellulare (la sua morte detta apoptosi): gli oncogeni e gli oncosoppressori.

- Se gli oncosoppressori (che normalmente impediscono la divisione cellulare) vengono mutati, la cellula inizia a moltiplicarsi senza controllo (la mutazione deve avvenire su entrambi gli alleli);

- Gli oncogeni derivano dalla mutazione di proto-oncogeni, ovvero geni importanti allo sviluppo delle cellule, e promuovono la proliferazione incontrollata. La mutazione può avvenire per diversi motivi: per traslocazione (spostamento di un cromosoma), per effetto di un trasposone (gene che cambia posizione), per errori durante la duplicazione di DNA o per effetto di un virus. Un esempio è quello del cromosoma Philadelphia, alterato in seguito ad una traslocazione, che provoca la leucemia.

Gli scienziati stanno cercando delle terapie geniche che possano intervenire sui geni mutati: un’idea è quella dei vaccini anticancro, che potenziano la risposta immunitaria alle cellule tumorali, mentre altri studi si concentrano sull’inibizione dell’angiogenesi, che consiste nel blocco della vascolarizzazione che “nutre” il tumore.

Farmaci, vaccini e OGM

Farmaci e vaccini: le colture batteriche possono produrre ai microrganismi sostanze utili per curare malattie (es. interferoni) o produrre veri e propri antibiotici. Anche se è noto che i batteri diventano resistenti agli antibiotici, è possibile progettare antibiotici non disattivabili dai meccanismi di resistenza. Per quanto riguarda i vaccini, si possono progettare degli interventi genetici evitando l’inoculazione: parte del patogeno viene inserito in un plasmide batterico e inserito nel corpo.

Modificando il genoma degli organismi nascono gli OGM (organismi geneticamente modificati); il trasferimento di un gene da una specie all’altra porta ad un organismo transgenico. Il gene da trasferire (transgene) prima viene identificato, poi isolato, trasferito, clonato e inserito nell’organismo ricevente. Questo metodo è più efficiente con organismi unicellulari, specialmente procarioti: negli eucarioti la procedura è più complessa.

Applicazioni in agricoltura

applicazioni in agricoltura: è possibile inserire nelle piante geni che permettono di acquisire la resistenza a parassiti o a condizioni ambientali. Alcune tecniche usate sono:

- Quella che usa Agrobacterium tumefaciens, un batterio che infetta le piante e che stimola la crescita cellulare. Il batterio, quindi, può essere reso innocuo e nei suoi plasmidi viene introdotto il gene da trasferire; successivamente vengono infettate le piante che devono ricevere quel gene e le cellule infettate vengono coltivate in vitro, ottenendo così piantine geneticamente modificate;

- Embriogenesi somatica > sfrutta la capacità delle piante di ricostruire organi interi partendo dalle cellule dei tessuti;

- Biopesticidi > inserendo nelle piante un gene di Bacillus thuringiensis viene prodotta una tossina contro insetti che rende le piante resistenti.

Le coltivazioni OGM sono state vietate secondo legislazioni locali in alcuni Paesi: viene molto discussa la produzione del golden rice (riso con beta-carotene). Le piante GM hanno una resistenza maggiore e una resa migliore, ma alcuni temono l’insorgenza di alcune forme allergiche o il danno ad insetti utili alla coltivazione.

Animali geneticamente modificati

Animali geneticamente modificati: attraverso i virus, che vengono usati come vettori per il trasferimento di un gene nelle cellule eucariote, è possibile ottenere animali geneticamente modificati. Il gene viene inserito in cellule uovo fecondate e poi impiantato nell’utero della madre sostitutiva. Nel 1983 si ottenne il supertopo, più grande del normale di 1,5 grazie all’inserimento dell’ormone della crescita. Oltre a vari esperimenti condotti sulle pecore, nel 1988 fu brevettato l’oncotopo, un topo che sviluppa tanti tumori e viene impiegato per testare farmaci tumorali: il dubbio è se i risultati ottenuti siano veramente comparabili con quanto avviene negli esseri umani.

Industrie e biotecnologie

- Nell’industria alimentare sono fabbricati il caglio e la vaniglia in modalità alternative alle solite (vaniglia sulle orchidee e caglio negli stomaci dei vitelli); inoltre, sono prodotti biosensori che indicano la presenza di microbi o tossine nel cibo (es. salmonella);

- Nell’industria chimica grazie a batteri termofili che resistono ad alti livelli di pressione, si è ottenuta una migliore estrazione del petrolio e dei metalli da rocce e minerali;

- Nell’industria farmaceutica si usano biocatalizzatori, ovvero sostanze prodotte con metodi biotecnologici che migliorano i processi produttivi;

- Per la difesa dell’ambiente sono stati brevettati organismi che possono decomporre agenti inquinanti (anche se occorre molta cautela prima di immetterli nell’ambiente), come una sorta di biofiltri per l’ambiente.

Scienze forensi e DNA profiling

Le scienze forensi si occupano di analizzare le prove raccolte sulla scena di un crimine usando soprattutto il DNA profiling ( = individuazione di particolari sequenze nucleotidiche di ciascun individuo che rappresentano la sua impronta genetica che lo identifica tanto quanto l’impronta digitale). Queste tecniche permettono di confrontare il DNA di un sospettato con quello trovato sulla scena del crimine: il confronto non viene fatto sull’intero genoma, ma su alcuni tratti detti marcatori genetici ( = sequenze che variano da persona a persona).

Per identificare gli individui si studiano i polimorfismi, ovvero piccole variazioni nucleotidiche nelle sequenze di DNA. Nel genoma umano sono stati identificati polimorfismi che riguardano un singolo nucleotide detti SNP (“snip”); questi possono variare i siti di restrizione ( = dove gli enzimi fanno il loro taglio per far variare di lunghezza i segmenti di DNA). In questo caso si parla di RFLP (“riflip”), cioè polimorfismi della lunghezza dei frammenti di restrizione. Se per esempio nel campione è presente una variazione dei siti di restrizione, l ‘enzima su un campione produrrà un numero diverso di frammenti di DNA e questo farà capire che i due filamenti non appartengono allo stesso soggetto.

Oltre ai polimorfismi è utile lo studio del DNA ripetitivo, ovvero sequenze ripetute più volte all’interno del genoma che possono cambiare anche da genitore a figlio. Si utilizzano in particolare le STR ( = short tandem repeats) cioè brevi sequenze nucleotidiche ripetute più volte: attraverso l’elettroforesi sul gel si può vedere se i due campioni presentano le stesse “bande” (risultate dalla velocità di migrazione delle STR nel gel) a distanze diverse (e quindi se appartengono allo stesso soggetto).

Analisi molecolari e storia evolutiva

Grazie alle biotecnologie è stato possibile svelare il mistero della tomba di Tutankhamon, faraone del 1300 a.C. di cui è stato tracciato un albero genealogico. Analizzando il DNA si è visto che il giovane aveva grandi complicazioni riguardanti la deambulazione e aveva contratto più volte la forma più grave della malaria; inoltre era figlio di un incesto. Le applicazioni delle analisi molecolari si estendono anche alla ricostruzione della storia evolutiva delle specie, viventi o estinte. Se due specie hanno in comune un gran numero di sequenze nucleotidiche, esse sono imparentate, cioè vicine dal punto di vista filogenetico.