Τύπος Μαθήματος: Μικτό
Διδακτικές Μονάδες: 5
Επίπεδο Μαθήματα: Επιλογής Υποχρεωτικό
Σκοπός Μαθήματος
Η επαφή και η εξοικείωση των φοιτητών με τα γνωστικά αντικείμενα που αφορούν τις εφαρμογές της επιστήμης της Βιοτεχνολογίας. Η εκμάθηση των πλέον πρόσφατων επιτευγμάτων, τεχνικών και τεχνολογιών και των εφαρμογών τους στη γεωργία, με έμφαση στη γενετική μηχανική. Η κατανόηση των δυνατοτήτων που παρέχει η βιοτεχνολογία για την αντιμετώπιση προβλημάτων της φυτικής παραγωγής. Η κατανόηση της αναγκαιότητας αξιολόγησης κινδύνων και θέσπισης νομοθετικών κανονισμών για την απελευθέρωση γενετικά τροποποιημένων φυτών στο περιβάλλον.
Η κυρίαρχη νέα τεχνολογία που αποτελεί το επίκεντρο όλων των υπολοίπων «Βιοτεχνολογιών» είναι η «Γενετική Μηχανική». Περιλαμβάνει ένα ευρύ αντικείμενο, που εμπερικλείει μελέτες εννοιών που αφορούν πολλά αντικείμενα σπουδών από μόρια μέχρι οικοσυστήματα. Η Γενετική Μηχανική είναι ένας τομέας της Βιοτεχνολογίας, που επικεντρώνει τη δραστηριότητά του στη μελέτη λειτουργίας των γονιδίων ή άλλων λειτουργικών τμημάτων του DNA (δηλ. του γενετικού υλικού) και ερευνά τη δυνατότητα τροποποίησης τους για την αποδοτικότερη λειτουργία τους (χρησιμοποιώντας τεχνικές της Μοριακής Γενετικής και της Μοριακής Βιολογίας), είτε αυτά ανήκουν σε βακτήρια, φυτά, ζώα ή και στον άνθρωπο.
Η πρόκληση της χρήσης της Βιοτεχνολογίας στην Γεωπονική επιστήμη εντοπίζεται σε τρία επίπεδα. Πρώτο: Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας αυτής έχουν αρθεί τα εμπόδια των γενετικών τειχών που υπήρχαν ανάμεσα σε οργανισμούς που ανήκουν σε διαφορετικές τάξεις, συνομοταξίες, ή ακόμη και σε διαφορετικά βασίλεια. Δεύτερο: Διαπιστώθηκε ότι με τη μεθοδολογία της Γενετικής Μηχανικής υπάρχουν ευκολότεροι τρόποι να βελτιωθούν γενετικά τα εκμεταλλεύσιμα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου οργανισμού (π.χ. εμπορεύσιμης ποικιλίας κάποιου φυτού) και με τον τρόπο αυτό έγινε δυνατό να επιταχυνθεί το όποιο πρόγραμμα γενετικής βελτίωσης ιδιαίτερα στα πολυετή φυτά. Αυτό επίσης άνοιξε το δρόμο στην εκμετάλλευση γενετικού υλικού ειδών που ήταν υπό εξαφάνιση ή που οι κλασσικοί τρόποι αναπαραγωγής ήταν αποτυχημένοι, πράγμα που επίσης οδήγησε στην εκμετάλλευση πλουσιότερης τράπεζας γενετικού υλικού (π.χ. άγρια είδη φυτών υπό εξαφάνιση). Τρίτο: Τα οικονομικά κίνητρα που κρύβονται πίσω από την τεχνολογία αυτή είναι ισχυρά και πρέπει να υπάρξει ένας σαφής διαχωρισμός ανάμεσα στην επιστήμη και στην επιχειρηματικότητα ώστε η επισιτιστική ασφάλεια να σταματήσει να αποτελεί έναν ουτοπικό στόχο.
Οι διαλέξεις είναι με τέτοιο τρόπο δομημένες ώστε να περιλαμβάνουν την παρουσίαση πολυάριθμων τεχνολογιών που έχουν προκύψει από την αλληλεπίδραση τομέων της σύγχρονης επιστήμης, πάντα με εφαρμογή στην αγροτική παραγωγή. Μεταξύ αυτών, η τεχνολογία CRISPR/Cas που χρησιμοποιείται για την στοχευμένη γενετική τροποποίηση, η νέας γενιάς αλληλούχηση για την γρήγορη, αξιόπιστη και οικονομική μελέτη του γενετικού κώδικα των οργανισμών, και η μοριακή αποτύπωση. Με τον τρόπο αυτό οι φοιτητές μαθαίνουν ότι η επιστήμη δεν έχει «στεγανά» και όρια, όπου γνώσεις από διάφορους τομείς (νανοτεχνολογία, βιοτεχνολογία, φαρμακογνωσία, μικροβιολογία κ.α.) συνεργικά αλληλεπιδρούν για την ανάπτυξη του τελικού στόχου. Με τον τρόπο αυτό η κλασική επιστήμη της γεωπονίας γίνεται ελκυστικότερη με άμεσο στόχο την έξοδο νέων τεχνολογικών επιτευγμάτων στην αγορά με στόχο την ανάπτυξη της τοπικής και εθνικής οικονομίας.
Περίγραμμα μαθήματος
Διδακτικές Μονάδες: 5
Επίπεδο Μαθήματα: Επιλογής Υποχρεωτικό
Σκοπός Μαθήματος
Η επαφή και η εξοικείωση των φοιτητών με τα γνωστικά αντικείμενα που αφορούν τις εφαρμογές της επιστήμης της Βιοτεχνολογίας. Η εκμάθηση των πλέον πρόσφατων επιτευγμάτων, τεχνικών και τεχνολογιών και των εφαρμογών τους στη γεωργία, με έμφαση στη γενετική μηχανική. Η κατανόηση των δυνατοτήτων που παρέχει η βιοτεχνολογία για την αντιμετώπιση προβλημάτων της φυτικής παραγωγής. Η κατανόηση της αναγκαιότητας αξιολόγησης κινδύνων και θέσπισης νομοθετικών κανονισμών για την απελευθέρωση γενετικά τροποποιημένων φυτών στο περιβάλλον.
Η κυρίαρχη νέα τεχνολογία που αποτελεί το επίκεντρο όλων των υπολοίπων «Βιοτεχνολογιών» είναι η «Γενετική Μηχανική». Περιλαμβάνει ένα ευρύ αντικείμενο, που εμπερικλείει μελέτες εννοιών που αφορούν πολλά αντικείμενα σπουδών από μόρια μέχρι οικοσυστήματα. Η Γενετική Μηχανική είναι ένας τομέας της Βιοτεχνολογίας, που επικεντρώνει τη δραστηριότητά του στη μελέτη λειτουργίας των γονιδίων ή άλλων λειτουργικών τμημάτων του DNA (δηλ. του γενετικού υλικού) και ερευνά τη δυνατότητα τροποποίησης τους για την αποδοτικότερη λειτουργία τους (χρησιμοποιώντας τεχνικές της Μοριακής Γενετικής και της Μοριακής Βιολογίας), είτε αυτά ανήκουν σε βακτήρια, φυτά, ζώα ή και στον άνθρωπο.
Η πρόκληση της χρήσης της Βιοτεχνολογίας στην Γεωπονική επιστήμη εντοπίζεται σε τρία επίπεδα. Πρώτο: Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας αυτής έχουν αρθεί τα εμπόδια των γενετικών τειχών που υπήρχαν ανάμεσα σε οργανισμούς που ανήκουν σε διαφορετικές τάξεις, συνομοταξίες, ή ακόμη και σε διαφορετικά βασίλεια. Δεύτερο: Διαπιστώθηκε ότι με τη μεθοδολογία της Γενετικής Μηχανικής υπάρχουν ευκολότεροι τρόποι να βελτιωθούν γενετικά τα εκμεταλλεύσιμα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου οργανισμού (π.χ. εμπορεύσιμης ποικιλίας κάποιου φυτού) και με τον τρόπο αυτό έγινε δυνατό να επιταχυνθεί το όποιο πρόγραμμα γενετικής βελτίωσης ιδιαίτερα στα πολυετή φυτά. Αυτό επίσης άνοιξε το δρόμο στην εκμετάλλευση γενετικού υλικού ειδών που ήταν υπό εξαφάνιση ή που οι κλασσικοί τρόποι αναπαραγωγής ήταν αποτυχημένοι, πράγμα που επίσης οδήγησε στην εκμετάλλευση πλουσιότερης τράπεζας γενετικού υλικού (π.χ. άγρια είδη φυτών υπό εξαφάνιση). Τρίτο: Τα οικονομικά κίνητρα που κρύβονται πίσω από την τεχνολογία αυτή είναι ισχυρά και πρέπει να υπάρξει ένας σαφής διαχωρισμός ανάμεσα στην επιστήμη και στην επιχειρηματικότητα ώστε η επισιτιστική ασφάλεια να σταματήσει να αποτελεί έναν ουτοπικό στόχο.
Οι διαλέξεις είναι με τέτοιο τρόπο δομημένες ώστε να περιλαμβάνουν την παρουσίαση πολυάριθμων τεχνολογιών που έχουν προκύψει από την αλληλεπίδραση τομέων της σύγχρονης επιστήμης, πάντα με εφαρμογή στην αγροτική παραγωγή. Μεταξύ αυτών, η τεχνολογία CRISPR/Cas που χρησιμοποιείται για την στοχευμένη γενετική τροποποίηση, η νέας γενιάς αλληλούχηση για την γρήγορη, αξιόπιστη και οικονομική μελέτη του γενετικού κώδικα των οργανισμών, και η μοριακή αποτύπωση. Με τον τρόπο αυτό οι φοιτητές μαθαίνουν ότι η επιστήμη δεν έχει «στεγανά» και όρια, όπου γνώσεις από διάφορους τομείς (νανοτεχνολογία, βιοτεχνολογία, φαρμακογνωσία, μικροβιολογία κ.α.) συνεργικά αλληλεπιδρούν για την ανάπτυξη του τελικού στόχου. Με τον τρόπο αυτό η κλασική επιστήμη της γεωπονίας γίνεται ελκυστικότερη με άμεσο στόχο την έξοδο νέων τεχνολογικών επιτευγμάτων στην αγορά με στόχο την ανάπτυξη της τοπικής και εθνικής οικονομίας.
Περίγραμμα μαθήματος
- Εισαγωγή στην Εφαρμοσμένη Βιοτεχνολογία. Γενικά εισαγωγικά στοιχεία.
- Ελληνικό/Ευρωπαϊκό Νομικό Πλαίσιο ΓΤΟ. Περίληψη των βασικότερων σημείων της νομολογίας που βρίσκεται σε ισχύ και αφορά το νομικό πλαίσιο που διέπει τον μηχανισμό ελέγχου και αδειοδότησης της κυκλοφορίας των γενετικά τροποποιημένων οργανισμών.
- Έκφραση γονιδίων. Βασικές έννοιες που σχετίζονται με τους μηχανισμούς γονιδιακής έκφρασης σε προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα.
- Τεχνολογίες Γενετικής Μηχανικής. Αναφορά στις επικρατέστερες τεχνολογίες εισαγωγής γενετικού υλικού σε προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα
- Τεχνολογία γονιδιωματικής τροποποίησης CRISPR/Cas. Βασικά στοιχεία της λειτουργίας του μηχανισμού επίκτητης ανοσίας προκαρυωτικών κυττάρων και πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την στοχευμένη τροποποίηση γονιδιωμάτων.
- Τεχνολογία παρεμβολής RNA (RNAi). Βασικά στοιχεία του συστήματος παρεμβολής του RNA, ενός πρώιμου αντι-ιικού μηχανισμού ανοσίας που παίζει σημαντικό ρόλο στην γονιδιακή ρύθμιση, την εξέλιξη και την διατήρηση του γονιδιώματος. Η τεχνική του RNAi μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλεκτική καταστολή ευκαρυωτικών γονιδίων.
- Τεχνολογία αρθρωτής κλωνοποίησης GoldenBraid-GoldenGate. Αποτελεί μια μέθοδο μοριακής συναρμολόγησης που επιτρέπει την ταυτόχρονη και κατευθυντική ένωση πολλαπλών τμημάτων DNA σε ένα ενιαίο τμήμα κομμάτι ελαχιστοποιώντας και αυτοματοποιώντας την διαδικασία.
- Εφαρμογές Μικροβιακής Βιοτεχνολογίας. Παρουσίαση, μέσα από μελέτες περιπτώσεων, μερικών σημαντικών εφαρμογών Μικροβιακής Βιοτεχνολογίας.
- Εφαρμογές Γενετικής Μηχανικής στην Γεωπονική Επιστήμη. Παρουσίαση, μέσα από μελέτες περιπτώσεων, μερικών επιλεγμένων εφαρμογών Βιοτεχνολογίας στην Λαχανοκομία, Δενδροκομία, Ανθοκομία, Εντομολογία, Φυτοπαθολογία, Γενετική Βελτίωση Φυτών, Μετασυλλεκτική Τεχνολογία.
- Νέας Γενιάς Αλληλούχηση. Παρουσίασης των τεχνολογιών αλληλούχησης επόμενης γενιάς και πως κατάφεραν να αλλάξουν τον τρόπο που γίνεται η έρευνα στην Γεωπονία.
- Μοριακή αποτύπωση. Η δημιουργία DNA μοριακού αποτυπώματος ενός ατόμου είναι η διαδικασία αναγνώρισης χαρακτηριστικών στο γενετικού υλικού ώστε να χρησιμοποιηθεί στην ταυτοποίηση και την φυλογενετική ανάλυση. Θα παρουσιαστούν βασικές αρχές των τεχνολογιών αποτύπωσης με ιδιαίτερη μνεία στις πιο σύγχρονες από αυτές.
Μαθησιακά Αποτελέσματα
Με την επιτυχή παρακολούθηση του μαθήματος οι φοιτητές θα είναι ικανοί να:
Να γνωρίζουν τις νέες τεχνολογίες που μπορούν να αξιοποιηθούν στην Γεωπονία μέσα από περιπτωσιολογικές μελέτες
Αναπτύξουν κριτική σκέψη για το πως μπορούν οι νέες τεχνολογίες να αξιοποιηθούν για την παραγωγή καινοφανών ή βελτιωμένων αγροτικών προϊόντων.
Οργάνωση Διδασκαλίας
11 διαλέξεις, 2 εργαστηριακές ασκήσεις ή αυτόνομης προετοιμασίας και παρουσίασης εργασιών.
Τρόπος και Κριτήρια Αξιολόγησης Φοιτητών
Γραπτή τελική εξέταση (50%) – Μια υποχρεωτική παρουσίαση εργασίας ενδιαφέροντος (50%).
Διδάσκοντες
Εμμανουήλ Τραντάς, Επίκουρος Καθηγητής
Συνιστώμενη Βιβλιογραφία
- Vetten, N., et al. (2003). "A transformation method for obtaining marker-free plants of a cross-pollinating and vegetatively propagated crop." Nature Biotechnology 21(4): 439
- Heather, J. M., Chain, B., 2016. The sequence of sequencers: The history of sequencing DNA. Genomics. 107, 1-8.
- Hollingsworth, Peter M., et al. "A DNA Barcode for Land Plants" Proceedings of the National Academy of Sciences 106, no. 31 (2009): 12794-97
- Holme, I. B., et al. (2012). "Cisgenic barley with improved phytase activity." Plant Biotechnology Journal 10(2): 237-247
- Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier EA. 2012. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science 337:816–821
- Jo, K. R., et al. (2014). "Development of late blight resistant potatoes by cisgene stacking." BMC Biotechnology 14: 50.
- Ma, X., et al. (2020). Highly efficient DNA-free plant genome editing using virally delivered CRISPR–Cas9. Nat. Plants 6, 773–779
- Nekrasov, V., C. Wang, J. Win, C. Lanz, D. Weigel and S. Kamoun (2017). "Rapid generation of a transgene-free powdery mildew resistant tomato by genome deletion." Scientific reports 7(1): 482.
- Sarrion-Perdigones, A., E. E. Falconi, S. I. Zandalinas, P. Juarez, A. Fernandez-del-Carmen, A. Granell and D. Orzaez (2011). "GoldenBraid: an iterative cloning system for standardized assembly of reusable genetic modules." PLoS ONE 6(7): e21622.
- Trantas, E., E. Navakoudis, T. Pavlidis, T. Nikou, M. Halabalaki, L. Skaltsounis and F. Ververidis (2019). "Dual pathway for metabolic engineering of Escherichia coli to produce the highly valuable hydroxytyrosol." PLoS ONE 14(11): e0212243.
- Vanblaere, T., I. Szankowski, J. Schaart, H. Schouten, H. Flachowsky, G. A. Broggini and C. Gessler (2011). "The development of a cisgenic apple plant." Journal of biotechnology 154(4): 304-311.
- Waltz, E., 2019. Appetite grows for biotech foods with health benefits. Nat. Biotechnol.
- Zhang, Y., et al. (2016). Efficient and transgene-free genome editing in wheat through transient expression of CRISPR/Cas9 DNA or RNA. Nat. Commun. 7, 1–8
- Zhang, Y., et al. (2016). Efficient and transgene-free genome editing in wheat through transient expression of CRISPR/Cas9 DNA or RNA. Nat. Commun. 7, 1–8
- Zhu, de S., Li, Y., Vossen, J. H., Visser, R. G., and Jacobsen, E. (2012) Functional stacking of three resistance genes against Phytophthora infestans in potato, Transgenic Res. 21, 89-99
