Biotecnologie in campo agroalimentare tesina

L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare

Esame di stato A. S. 2012/2013

Esame di Stato

Liceo Scientifico Sperimentale “Leonardo” di Brescia

Biotecnologie in campo agroalimentare

Auguste Comte

Sara Longobardi 5°O sper. tecnologica

Indice

Paragrafo

Introduzione

Premessa

Sintesi dell’elaborato

1 Cosa sono le biotecnologie?

1.1 Le antiche biotecnologie, ovvero le biotecnologie tradizionali

1.1.1 Bibite e cibi

1.1.2 Agricoltura

1.1.3 L’incremento delle biotecnologie tradizionali e i precursori delle biotecnologie innovative

1.2 Le biotecnologie innovative

1.2.1 Tappe che han condotto alle biotech innovative

1.3 Le applicazioni biotecnologiche nei vari settori dell’attività umana

2 Che cosa è un Organismo Geneticamente Modificato?

2.1 Gli OGM da un punto di vista legislativo

2.2 Cosa sono scientificamente gli OGM

3 Come si ottiene un OGM?

3.1 Mutazioni e natura

3.2 Ibridazione

3.2.1 Ibridazione e impollinazione

3.3 Mutazioni indotte

3.3.1 Etilmetano sulfonato

3.3.2 La poliploidia e la colchicina

3.3.3 Le radiazioni

3.4 La tecnica del DNA ricombinante

3.4.1 Le operazioni essenziali della tecnologia del DNA ricombinante

3.4.2 L’efficacia del DNA ricombinante

3.4.3 L’inefficacia del DNA ricombinante

3.4.4 I vettori che permettono l’efficacia di questa tecnica

3.4.5 Microrganismi geneticamente modificati

3.5 La PCR (Polymerase Chain Reaction)

4 Come si ottiene una PGM?

4.1 I metodi di produzione

4.1.1 Polietilenglicolie

4.1.2 Fusione dei protoplasi

4.1.3 Selezione gametofitica maschile

4.1.4 Infezione da Agrobacterium tumefaciens

4.1.5 Bombardamento biolistico

5 Le biotecnologie in campo agroalimentare

5.1 A cosa servono le PGM

5.1.1 La resistenza agli erbicidi e gli OGM HT

5.1.2 La resistenza agli insetti e gli OGM BT

5.1.3 La resistenza ai virus

5.1.4 La maturazione ritardata

5.1.5 Controllo dell’impollinazione

5.1.6 Altre PGM realizzate

5.2 L’agricoltura transgenica nel mondo

6 Biotech e opinione pubblica

6.1 Possibili utilizzi: la biotecnologia, una promessa per il futuro

1 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

6.2 Il fattore mostro

6.2.1 Sostenitori e oppositori

6.2.2 Leggi della natura e leggi dell’uomo

6.2.3 Verifica dei risultati

6.2.4 Sicurezza al 100%

6.2.5 Rischi e rimedi

6.3 Economia geneticamente modificata

6.3.1 Guadagno o spreco

6.4.2 Politica & libertà di scelta

6.4 Huxely & bioethics

6.4.1 Huxely e la bioetica

Glossario

Bibliografia e sitografia

2 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

Introduzione

Premessa

Questa tesina è nata per una mia particolare affezione verso queste nuove tecnologie. Inoltre vuole dimostrare che, a differenza delle false credenze sugli OGM, essi non sono davvero dannosi alla salute e contro-natura, come appaiono alla maggior parte degli italiani, nel modo in cui i mass-media e la politica li vogliono presentare alla comunità.

Sintesi dell’elaborato

Se chiedessi in giro per l’Italia, la maggior parte delle persone non saprebbe dirmi cos’è un OGM, le sue caratteristiche e non saprebbe esporre, di conseguenza, una propria opinione. Quest’ultima viene influenzata negativamente dai mass-media e dalla politica, la quale anch’essa è influenzata da ciarlatani e persone di dubbia opinionabilità sull’argomento.

Di seguito verranno spiegati nel dettaglio cosa sono gli OGM, come vengono prodotti, cosa la legislazione dice a riguardo e cosa sono realmente.

Si affronterà l’evoluzione delle biotecnologie: dalle più rudimentali trasformazioni, come la fermentazione alcolica, alle più moderne come la PCR.

3 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

Cosa sono le biotecnologie?

Le biotecnologie sono tutte quelle tecniche che prevedono l’uso di organismi viventi (o parti di essi; infatti, dal greco bio-: vita) per creare prodotti utili all’uomo o per incrementare la biologia stessa dell’organismo.

Queste prevedono l’uso integrato della microbiologia, della biochimica e dell’ingegneria.

Nonostante ora vengano adoperati i più moderni procedimenti, come le tecniche di manipolazione genetica, tale tecnologia è stata utilizzata fin dall’antichità, in modo più o meno empirico.

Perciò le biotecnologie vengono suddivise in:

• Biotecnologie tradizionali;
• Biotecnologie innovative.

Inoltre, quelle moderne vengono distinte in diverse branche, a seconda dell’ambito di applicazione:

• Green biotechnology: biotecnologie agroalimentari, applicate al settore agricolo e agro-industriale;
• Red biotechnology: biotecnologie farmaceutiche, applicazione di tipo medico e farmaceutico;
• White biotechnology: biotecnologie industriali che mirano al miglioramento di microrganismi o enzimi applicati in campo industriale;
• Blue biotechnology: biotecnologie marine, applicazione delle metodiche della biologia molecolare agli organismi marini e di acqua dolce;
• Grey biotechnology: biotecnologie ambientali, applicazioni correlate direttamente all’ambiente.

Le antiche biotecnologie, ovvero le biotecnologie tradizionali

Le biotecnologie tradizionali sono tecnologie produttive utilizzate da millenni, quali l’agricoltura, la zootecnica e lo sfruttamento delle attività fermentative dei microrganismi.

Pur non avendo un’esatta cognizione tecnico-scientifica delle tecniche che adoperavano, tutti i popoli mondiali impiegavano le biotecnologie: ad esempio nella produzione di bevande alcoliche e del pane.

Bibite e cibi

I Sumeri e i Babilonesi producevano vino e birra sin dal 6000 a.C.; gli Egizi pane lievitato dal 4000 a.C.; nel Medio Oriente, intorno al 3000 a.C., si ebbero le prime produzioni di formaggi e yogurt; sempre in Egitto, intorno al 400 a.C., si produceva aceto; oltre oceano, gli Aztechi producevano bevande alcoliche tramite estratti da foglie di cactus.

Il latte che si trasforma in formaggio, il succo d’uva in vino, sono solo alcuni esempi delle biotecnologie tradizionali che si usavano già tanti anni fa, ma senza saperlo.

Agricoltura

Anche nell’agraria le popolazioni antiche sedentarie, circa 10.000 anni fa, incrementarono la produzione agricola selezionando i semi delle piante con le caratteristiche migliori: vennero effettuati incroci controllati (selezionati organismi parentali) ottenendo riso, orzo, grano, lenticchie, mais, peperoni, arachidi, zucca. Gli incroci ottenuti erano comunque molto limitati poiché si ottenevano attraverso l’incrocio sessuale tra patrimoni genetici simili.

Le biotecnologie in campo agroalimentare, come abbiamo visto, hanno origini antiche. Per molti secoli restano in una fase che alcuni studiosi di storia della scienza definiscono “Età inconsapevole”. In un secondo periodo (dall’inizio dell’800 alla metà del ‘900) cresce la consapevolezza di quello che succede avviando processi di fermentazione o incrociando fra loro piante e animali diversi. In questo arco di tempo le biotecnologie sono ancora considerate “tradizionali”.

4 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

L’incremento delle biotecnologie tradizionali e i precursori delle biotecnologie innovative

La scoperta dei meccanismi biologici alla base dei processi sopra descritti è avvenuta in modo lento e graduale a partire dal XVI secolo, grazie al contributo di alcuni “uomini di scienza”.

• Antony van Leeuwenhoek (1632-1723), che costruì il primo microscopio con il quale fu possibile osservare ciò che accadeva a livello microbiotico e i microrganismi viventi usati nella produzione di birra e formaggio.
• Lazzaro Spallanzani (1729-99), fu il primo a confutare la teoria della generazione spontanea (1779), viene considerato come “il padre della scienza”. Inoltre scoprì l’inseminazione strumentale ponendo le basi per le biotecnologie riproduttive.
• Louis Pasteur (1822-95): approfondì la teoria della generazione spontanea di Spallanzani e si occupò della batteriologia e delle vaccinazioni (1861-85). Pose le basi delle biotecnologie microbiche. Analizzò la produzione della birra e comprese i microrganismi responsabili della fermentazione alcolica (il “padre della biotecnologia”). Egli creò un vaccino per la rabbia, selezionando dei mutanti del virus che hanno perso la virulenza rispetto all’uomo. Questa è una tecnica che anticipa la biotecnologia moderna  basata sull’ingegneria genetica. Ora è possibile avere un abbondante numero di antibiotici in quanto vengono selezionate specie in grado di produrre sostanze in quantità maggiori rispetto alla disponibilità naturale.
• Gregor Mendel (1822-64): scopre le leggi basilari della genetica (1865). Pone le basi per le biotecnologie innovative che poggiano su tali codici.

Pur non conoscendo il meccanismo con cui si trasmettevano i caratteri, determinò, tramite l’ibridazione delle piante, le leggi che regolano la trasmissione da una generazione all’altra.

Con quest’ultimi due si comprese appieno e precisamente il ruolo dei batteri e i processi degradativi e  fermentativi. Sviluppo industriale della microbiologia e approccio alle biotecnologie avanzate.

Le biotecnologie innovative

Il fulcro della moderna biotecnologia è costituito dalla tecnologia genetica, che si occupa della manipolazione mirata del patrimonio genetico di batteri e piante. Oggi tale scienza trova applicazione soprattutto nella medicina, ma anche in ambito industriale e agricolo. In particolare, la moderna biotech ha preso le mosse soprattutto dalle scoperte sulla struttura del patrimonio genetico e dall’ulteriore sviluppo di strumenti finalizzati alla sua modifica mirata.

Le biotecnologie innovative si basano sull’incontro tra le tecniche tradizionali con le nuove tecnologie biologiche-genetiche intervenendo direttamente sulle cellule.

Quando si parla di biotecnologie si fa riferimento alle biotecnologie innovative sorte al termine degli anni ’70, dopo la messa a punto dell’ingegneria genetica.

Tappe che han condotto alle biotech innovative

1928: Griffith Condusse esperimenti sulla trasformazione batterica; egli è il padre inconsapevole dell’ingegneria genetica intesa come il trasferimento di materiale ereditario da un organismo all’altro.

1938: Spemann Elaborò l’idea del trasferimento di nucleo da una cellula somatica in una cellula  uovo privata di nucleo. Non vi erano ancora i mezzi per attuare la sua idea. Viene considerato “l’inventore della tecnica della clonazione”.

1944: Avery, MacLeod e McCarty I tre dimostrarono il ruolo chiave del DNA nella trasmissione dei caratteri ereditari: comprovarono che il principio trasformante scoperto da Griffith era il DNA. Nonostante ciò non ebbe notorietà in quanto si credeva che il materiale genetico fosse di natura proteica.

1945: Lederberg e Tatum Lavorando su colonie batteriche scoprirono la coniugazione batterica legittimando i lavori di Griffith e Avery.

1948: Pauling Intuisce l’alfa elica delle proteine.

1950: Kornberg Scopre la DNA polimerasi.

1950: McClintock Scoperta dei “geni mobili”.

1952: R. Briggs & T. J. King Legittimazione dell’esperimento di Spemann.

1953: Watson & Crick Scoprono la struttura ad elica del DNA.

1958: Meselson & Sthalla Scoprono la duplicazione del DNA.

1960: Jacob & Monod Regolazione genica.

1960 Scoperta dei plasmidi.

1966: Khorana e Nirenberg Decifrano completamente il codice genetico.

1970: F. Sanger, W. Gilbert e Paul Berg Inventano un metodo per sequenziare il DNA 

1971: Phil Sharp e Richard Roberts Scoprono la discontinuità genetica. Gli introni e gli esoni (Gilbert).

1972: Paul Berg Prima ricombinazione del DNA in laboratorio.

1973: Stanley Cohen e Herb Boyer Creano il primo batterio ricombinante e attuano la prima clonazione genetica.

1983: Kary Mullis Inventa la PCR o reazione di polimerizzazione a catena.

1984: S. Cohen e R. Levi Montalcini Scoprono i fattori di crescita.

1997 Nasce la pecora Dolly.

1998 Viene avviato il “Progetto Genoma Umano”.

1999 Viene completata la sequenza del primo cromosoma umano, il numero 22 lungo 33,4 milioni di paia di basi e contenente 545 geni.

2000 Viene completato il Progetto Genoma di lettura e mappatura dei segmenti di DNA umano.

L’avvento delle tecnologie del DNA ricombinante o ingegneria genetica segna una linea di demarcazione fra biotecnologie tradizionali e biotecnologie innovative, caratterizzate dal cambiamento mirato di attività di organismi ottenute modificandone il patrimonio genetico.

Con queste tecnologie moderne siamo in grado di dotare un organismo di caratteristiche nuove inserendole nel suo DNA.

I primi organismi modificati artificialmente sono stati i vegetali, infatti questi OGM sono tra noi da tempo.

La prima pianta OGM risale a più di vent’anni fa.

Queste nuove applicazioni hanno portato a problemi etici, altri riguardanti la biodiversità, l’uso dei cibi transgenici.

Le applicazioni biotecnologiche nei vari settori dell’attività umana

6 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

7 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

Che cosa è un Organismo Geneticamente Modificato?

Gli OGM da un punto di vista legislativo

Sono inclusi quelli ottenuti tramite:

• Tecniche di ricombinazione dell’acido nucleico;
• Tecniche che comportano l’introduzione diretta di materiale genetico ereditabile preparato al suo esterno;
• Fusione cellulare o tecniche di ibridazione per la costruzione di cellule vive mediante la fusione di due o più cellule, utilizzando metodi non naturali.

Sono esclusi quelli ottenuti tramite:

• Fecondazione in vitro;
• Processi naturali, quali la coniugazione, la trasduzione e la trasformazione;
• Induzione della poliploidia (colchicina);
• La mutagenesi (radiazioni);
• La fusione cellulare di cellule vegetali di organismi che possono scambiare materiale genetico anche con metodi di riproduzione tradizionali. 

Questa è la definizione legale dell’Unione Europea, direttiva 2001/18/CE. Non viene esplicato cosa è realmente un OGM, bensì come questi esseri vengano prodotti e di conseguenza come si differenziano.

Cosa sono scientificamente gli OGM

Gli OGM, o organismi transgenici, sono animali o vegetali il cui patrimonio genetico è artificiale, ovvero è stato ottenuto in laboratorio, per implementarlo con caratteristiche di cui sarebbe privo in natura.

Questo è possibile grazie all’universalità del codice genetico e alla sua decifrazione.

Un organismo transgenico è un OGM, ma non è detto che avvenga il contrario: il termine transgenesi si riferisce all’inserimento, nel genoma di un dato organismo, di geni provenienti da un organismo di specie diversa. Sono invece definiti OGM anche quegli organismi che risultano da modificazioni che non prevedono l’inserimento di alcun gene così come gli organismi in cui il materiale genetico inserito proviene da un organismo “donatore” della stessa specie. In questo secondo caso alcuni studiosi parlano di organismi cisgenici.

8 Longobardi Sara V O tec. “L’applicazione delle biotecnologie in campo agroalimentare”

Come si ottiene un OGM?

Un OGM viene ottenuto grazie all’operato dell’ingegneria genetica, modificando parte del DNA.

La nuova metodologia permette di integrare nel DNA della pianta un gene supplementare, in aggiunta alle decina di migliaia già presenti. Il gene scelto sarà quello che potrà conferire un nuovo interessante carattere genetico. Il resto del genoma resterà uguale, ammesso che non si voglia modificare anche quello  (intenzionalmente). Miglioramento genetico mirato e puntiforme.

Tramite gli enzimi di restrizione possiamo tagliare la parte che ci interessa.

Si adopera un mediatore batterico.

Usando come mediatore un batterio

Si preleva il gene dal DNA e lo si inserisce in un plasmide.

Tramite i ligasi possiamo saldarlo dove desideriamo.

Si ottiene una nuova pianta transgenica.

Sequenza promotore che regola l’espressione del gene.

Costruire un OGM

Capace di inserire in modo permanente parte del proprio DNA nel genoma di altri organismi

Usando l’Agrobacterium tumefaciens

Pistola spara geni che proietta nelle colture delle microsfere ricoperte da sequenze di DNA

Usando la biolistica

Mutazioni e natura

Le mutazioni geniche, però, sono sempre esistite in natura.