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Benvenuti nel corso MOOC NPTEL sulla bioingegneria un'interfaccia con la biologia e la medicina. Ciao Sono Sanjeeva Srivastava, professore associato in Dipartimento di Bioscienze andBioingegneria a IIT Bombay.Parliamo per prima cosa del perché di questo corso?L'integrazione della biologia e della medicina con l'ingegneria può allargare la portata per affrontare i principali problemi societari. Così in questo corso ci concentreremo soprattutto su pochi concetti biologici e sulle loro applicazioni praticanti. Questo corso cercherà anche di colmare il divario tra biologi e ingegneri che possono offrire opportunità di carriera diversificate e opportunità di lavoro nelle aree delle scienze biomediche e biomediche. A IIT Bombay, insegniamo al primo anno di ingegneria un corso di base in biologia.Poche delle mie lezioni sono anche di questo corso BB101. Questo corso per un MOOC; tuttavia, non riguarderà i dettagli dei principi di bioingegneria. Parliamo innanzitutto del perché della biologia per gli ingegneri?Quindi che sia biologo o ingegnere condividiamo stessi problemi di base. Secondo anno gli studenti possono dirmi quali sono i principali problemi globali che richiedono la nostra attenzione, ovviamente non c'è limite per gli ingegneri o i biologi whenit arriva ai problemi globali. Quindi avete giustamente accennato che ci sono molti possibili motivi, molti problemi globali che richiedono la nostra attenzione se siamo biologi o ingegneri. Cerchiamo di discutere di alcuni di questi problemi uno per uno. Innanzitutto come nutrire la popolazione mondiale in crescita?Pensiamo al modo in cui sta accadendo l'esplosione della popolazione. La popolazione mondiale dovrebbe colpire quasi 7,6 miliardi di popolazione umana 2018.The un'altra mano è proiettata a crescere 9,3 miliardi di dollari entro 2050.So come stiamo andando ad alimentare la crescente popolazione mondiale quando la maggior parte dei terreni arabili è coltivata. Pensiamo anche a un'altra mano, l'impatto ambientale sulla produzione alimentare, il diverso tipo di condizioni di stress come la salinità, la siccità, il freddo, le diverse condizioni di stress influenzano la produttività delle piante in tutto il mondo. Quasi il 20% del mondo la terra agricola è sotto stress salinità. Terzo della superficie terrestre è minacciata dalla desertificazione. Le coltivazioni in 90% minuti di terreno seminativo dovrebbero incontrarne uno o l'altro tipo di condizione ambientale. Quindi la domanda è come alimenteremo la popolazione mondiale in crescita?Guardiamo ad alcune di queste immagini da varie clip di notizie. L'impatto delle calamità ambientali sulla produzione alimentare. Dopo questi cicloni e diverse catastrofi naturali soprattutto sai che sei inMumbai hai visto di recente il ciclone Ockhi in December.Una pioggia molto inopportuna, molto poco tempestivo ciclone ha devastato l'area coltivata e i campi usati per la coltivazione. Queste sono le immagini mostrate per certo che dopo 1967 hanno visto i più alti rainfallati nel mese di December.Solo una di queste piogge non tempestive, il ciclone non tempestivo potrebbe davvero rovinare gli sforzi degli agricoltori per voi sapete quali hanno messo per mesi e anni ' timeAgain Vi sto mostrando qualche clip di notizie. siccità e ciclone, il problema dei gemelli per gli agricoltori di South Tamil Nadu. Intorno a 900 agricoltori suicidi in drouhit Marathwada di quest' anno. Immaginate che gli agricoltori lavorino duramente e dopo un duro lavoro di anno pieno questo tipo di catastrofi naturali senza tempo potrebbero davvero distruggere il loro intero sforzo e ora possono essere visti questi tipi di terreni aridi. Così in cui l'ingegneria genetica e le biotecnologie possono offrire qualche aiuto per aumentare la produttività e la produzione alimentare complessiva. Così una delle vie più facili di andare avanti è l'approccio di ingegneria genetica in cui la clonazione del DNA può essere sfruttata per questo processo. Quindi cos' è la clonazione del DNA?La clonazione del DNA è un processo in cui possiamo produrre più copie identiche di un definito DNAsegmento di batteri di tipo definito come un E. coli sono comunemente utilizzati per scopi di clonazione del DNA. I batteri contengono plasmidi che è una piccola molecola di DNA cromosomico extra circolare che si replica separatamente.Vediamo quindi questo è sapere per la clonazione del DNA che stiamo prendendo un plasmide che è noto come vettore e poi gene di interesse che si desidera realizzare più copie. Diciamo che avete identificato un gene di interesse che può aumentare la produttività alimentare.Così ora questo gene di interesse noto come inserto si vuole introdurre in questo plasmido alle copie makemultiple. Per farlo è possibile utilizzare enzimi di restrizione per tagliare il plasmide e il DNA di interesse fromlo stesso enzima. E ora si desidera spostare il gene di interesse verso il plasmide, così si userà alcuni enzimi del DNA che potrebbero ora produrre una molecola di DNA ricombinante. Questi plasmidi vengono poi introdotti indietro nei batteri grazie al processo di trasformazione che fa più copie di DNA che ora si sta crescendo all'interno di un batterio multiplegenerazioni stanno producendo più copie di questi plasmidi. E quindi anche il tuo gene di interesse viene prodotto. Ora questo potrebbe essere nuovamente introdotto in una pianta per realizzare un impianto transgenico che possa esprimere il gene straniero del tuo interesse. Così ora guardiamo al processo qui. Come l'ingegneria genetica e le biotecnologie possono offrire per introdurre i geni dell'interesse in un nuovo sistema. Ad esempio sul lato sinistro mostrato è il plasmide circolare in cui abbiamo il gene della resistenza agli antibiotici. Diciamo che si sa ad esempio si può avere un gene di resistenza all'ampicillina o cloramfenicolo, tetraciclina etc e poi si hanno siti di restrizione dove gli enzimi di restrizione sono goingto work. In questo caso, uno dell'enzima che è EcoR1 è mostrato con il rosso. Sul lato destro abbiamo il segmento di DNA dove un gene di interesse che si desidera cloneulteriormente e di nuovo ci sono siti di restrizione che possono essere usedati per la digestione della restrizione. Così potete usare ora l'enzima di restrizione per tagliare sia il plasmide che il gene dell'interesse e poi devono farsi stittire insieme in presenza di un enzima che si conosce come il DNA ligasi. Ora il DNA ligasi sta per rendere la molecola ricombinante del DNA che contiene sia il DNA che il plasmide da due diversi fonti e ora questa molecola di DNA ricombinante potrebbe essere utilizzata per diverse applicazioni. Così lo stesso concetto anche se poi parleremo in modo molto più dettagliato in seguito quando compro la clonazione genica e veniamo agli aspetti vegetali biotecnologici. Ma in questa slide ho illustrato un paio di esempi tratti dal libro di testo che si sa che l'ingegneria genetica ha molte applicazioni. Potrebbe essere usato per realizzare colture transgeniche che possono incorporare tratti utili per l'esampleerbicida o la resistenza al pesto o potrebbe essere la tolleranza salinità che può conoscere l'impianto di providea più capacità di sopravvivere nell'abiotico le condizioni di stress o di esempio è un Golden riceche contiene geni per la sintesi di vitamina A. Così avremo più dettagli di questi infarti conoscere lezioni dettagliate. Ma voglio solo illustrare che si conoscono le biotecnologie e l'ingegneria genetica fino ad ora si sa provare a fare un tentativo di fornire soluzioni per i problemi globali in cui si vuole aumentare la produttività alimentare sul terreno molto limitabile. Un altro esempio potrebbero essere i microbi di ingegneria genetica. Possono essere prodotti che sono fondamentali per ripulire i rifiuti minerari altamente tossici. Anche le proteine per usi medici come insulina, diversi fattori di crescita, ormonesi in crescita possono essere prodotti nella grande quantità utilizzando diverse tecnologie di ingegneria genetica. Così, in qualche modo, il primo grande problema che è quello di aumentare la produzione alimentare, aumentare le vitamine e gli integratori di sostanze nutritive credo che l'ingegneria genetica possa fornire qualche solutionsto a quei problemi. Vi spiego questo in più dettaglio nella seguente animazione. Limitazioni endonucleasi ripuliscono il DNA a doppio strato a specifiche sequenze di riconoscimento che possono essere usate per isolare i geni e clonare nuove molecole di DNA. Queste enzimi sono tipicamente trovati nei procarioti in cui funzionano come meccanismagmi di difesa esteri i siti stranieri DNA.Recognitions sono tipicamente da 4 a 8 coppie di base e sono molto spesso palindromici. Questo è leggere lo stesso in entrambe le direzioni. La pulizia a un legame di fosfodiestere può produrre estremità sfumate o coesi con DNAmolecole che possono essere legate usando DNAligase per produrre una molecola ricombinante. I frammenti possono anche essere separati utilizzando tecniche di elettroforesi. Il DNA genomico e il DNA della molecola vettoriale sono ripulisciti con lo stesso enzima di restrizione. Così da generare complementari e sequenze. Queste sono poi legate per mezzo dell'enzima DNA ligasi per generare molecole di DNA ricombinante. Queste molecole ricombinanti possono essere confezionate in vitro in un idoneo numero di vettori per portare le molecole di DNA estraneo. Lambda e M13 sono due delle particelle di phage più comunemente usate per questo inserti purpose.DNA possono essere inserite in queste particelle di faggio. Ci sono altre molecole vettrici che possono assumere frammenti di DNA da DNA genomico, siti plasmidzzati per varie limitazioni enzimi così come i siti di resistenza agli antibiotici che aiutano a scopi di screening. Alcuni plasmidi come pBR322 possono assumere solo inserti di DNA più piccoli fino a quasi 10 KB.Mentre i cromosomi artificiali più grandi possono accogliere inserti di dimensioni maggiori fino a 300 KB.Il lievito artificiale di lievito è un vettore eucariotico che può accogliere grandi inserti di DNA è costituito da siti di restrizione e due siti telomerici. Le molecole di phage che trasportano il DNA ricombinante con inserti genomici sono utilizzate per infettare. coli. Queste molecole poi si amplificano con ogni ciclo di replicazione della cellula E. coli. Questa raccolta di cellule batteriche che ospitano i vari frammenti di DNA genomico è cognata come una libreria genomica.Una volta che la biblioteca è stata creata, è fondamentale disporre di tecniche per richiamare una sequenza di interesse. Le cellule trasformate vengono selezionate e placcate su agar dopo la quale la piastra viene tracciata su carta di nitrocellulosa. Questo viene poi trattato con alcali che portano all'interruzione delle cellule e alla denaturazione del dsDNA.Il DNA denaturato viene poi analizzato per la sequenza di interesse da parte di una molecola radiolabellata havinga in sequenza complementare. Lasciate che ci muoviamo su un'altra importante questione che è il cambiamento climatico e il riscaldamento globale in questa bellissima immagine qui che l'intero ambiente, il clima intero si sta cambiando e molte questioni globali che possiamo iniziare a vedere ora per esempio si può vedere una pioggia non tempestiva. E se si può seguire questa immagine per il riscaldamento globale l'umidità è in aumento, la temperatura sulla terra è in aumento, poi la temperatura troposferica è sempre in aumento, la temperatura sull'oceano è in aumento, i contenuti di calore oceanico sono in aumento e poi come molti di voi sanno che le cose si sciolgono come i ghiacciai, la copertura della neve, i thoseis si stanno sciogliendo e quindi i livelli del mare si alzano ulteriormente. Quindi questi sono cambiamenti climatici complessivi e problema globale che ci interessano di nuovo dobbiamo pensare insieme a come biologi e ingegneri soprattutto i bioingegnerologi abbiano effettivamente cercato di colmare questo divario e affrontare questi problemi globali. Prossimo problema, pensiamo a come trattare le malattie letali vi mostrate qui un paio di esempi qui. Alcune delle malattie che ancora oggi conoscete molto di sfida davanti a noi, in anteprima scienziata per esempio la tubercolosi, l'AIDS e il cancro. Questi sono ancora grossi problemi che stanno colpendo l'intera popolazione, intera umanità in tutto il mondo. Ad esempio l'HIV, i virus dell'immunodeficienza umana, continua ad essere un importante tema di salute pubblica che finora ha rivendicato più di 34 milioni di vite umane. Milioni di persone sono morte per cause legate all'HIV globalmente.Abbiamo fatto qualche progresso ma ancora non abbiamo risolto completamente questo problema.D'altra parte la tubercolosi che è la seconda malattia più mortale a causa di un singolo infettivagente Mycobacterium tuberculosis sta causando quasi 95% di morte in basso e medio - incomepaesi a causa della tubercolosi e più recentemente ci sono gli schermi anti - resistenti alla droga che stanno creando sempre più sfide davanti a noi, come tocontrollare queste malattie letali. E ovviamente arriva il problema più impegnativo davanti a noi che è il cancro. È un problema globale, tutto il mondo intero viene colpito a causa del cancro ma guardiamo a cosa si trova India in questo momento. Se si guarda questo grafico da 2011 a 2026, i casi proiettati sull'asse y mostrati tote si mantengono in continuo aumento sia nella popolazione maschile che femminile.Analizziamo allora questo grafico ora, il numero proiettato di incidenze tumorali in India in varieta 'di fasce d'eta' per esempio se si guarda ad esempio di età compresa tra i 15 e i 29 anni il gruppo molto più giovane o da 30 a 44 anni e come si sa che stiamo invecchiando e vecchi da 45 a 59 anni, il cancro sarà in aumento in tutta questa popolazione intutta di questi gruppi di età e che ci condiziona davvero tutti in qualche altro modo.Quali sono i tumori più mortali e diversi che conosci il confronto dei siti oncologici inIndia?Prima di tutto analizziamo i dati maschili che sono% di incidenza di cancro nel maschio. In aumento in India abbiamo sostanzialmente un cancro orale, cancro allo stomaco, cancro del polmone e ovviamente tutti gli altri tumori lo si conosce costituendo quasi il 53% o così. Nella popolazione femminile abbiamo alta incidenza di tumore della cervice uterina, cancro allo stomaco e altri tumori sono quasi 58 %.Ciò che è interessante che si sappia si osserverebbe che c'è una prevalenza geografica di tumori in India.Per esempio soprattutto si sa in specifici stati in India si sa che si conosce l'higherprevalenza di un certo tipo di tumore che è lei sa se si guarda la popolazionePunjab soprattutto la regione Malabar, c'è che si conoscono molti casi di cancro sull'aumento e più precisamente sul tumore della mammella e i tumori del CNS possono vedere su rise.Ahmedabad, mostrano alto tasso di incidenza del cancro nel cancro complessivo. Ora se vieni ad Andhra Pradesh c'è un'alta prevalenza di cancro esofageo observe.Thiruvananthapuram, mostra altissima incidenza per il cancro al polmone e glioma e ora sei arrivato a Chennai, mostra alta prevalenza di tumori del SNC nei bambini e nel cancro della cervice uterina. Il Maharashtra nord - orientale e Madhya Pradesh hanno un'elevata incidenza per il cancro orale. Mizoram o l'Aizawl di Nordest mostrano un'elevata prevalenza di tumori dello stomaco. Assam o Dibrugarh mostra alta incidenza allevata nel cancro orale e polmonare. Quindi cosa quando osservi qui ci sono regioni specifiche che mostrano un tasso di incidenza molto alto per un tipo specifico di tumore e si sa che è possibile vedere alcune delle notizie qui riportate. Ad esempio Malwa zona del Punjab seduto sul vulcano cancro, un'indagine su Tempi di Indiazio che. L'incidenza del cancro allo stomaco è destinata a salire, gli esperti ne sono preoccupati. Aizawl ha più alta incidenza di stomaco cancro dopo Japan.Oral cancro raddoppia in Ahmedabad in due decenni. Il paese del cancro di Kerala?Le Stats rivelano il cancro esofageo comune tra le donne del Nordest. Quindi sono sicuro che dopo avervi fatto questi spaventosi esempi di HIV, tubercolosi e cancro ora pensiamo ad altri grandi aspetti che tutti vorremmo vedere per i requisiti essenziali della vita. Quindi, di cosa abbiamo bisogno per conoscere una buona qualità della vita?Vogliamo l'aria pulita, l'aria pulita che si inquina gratis e per farlo succede un sacco di test di microorganismi. Immaginate di poco tempo che sapete di avere una partita a Delhi tra le partite di cricket siete allfan della partita di cricket tra India e Sri Lanka e sul campo c'è stato così muchsmog su uno di questi giorni a causa dell'inquinamento a Delhi che conoscete i playersopite dello Sri Lanka per non giocare quel giorno e che in realtà sapete hanno dimostrato che in che modo avete iniziato a conoscere un alto livello di inquinamento. Abbiamo tutti bisogno di acqua pulita e adeguata. A causa della siccità condizioni, a causa dei bassi livelli d'acqua delle piogge ci stanno abbassando molte volte quando stiamo irrorando le sostanze chimiche e i fertilizzanti in campo, quelle anche gettonate nel livello dell'acqua. Così l'acqua viene inquinata a causa di loro. Quindi dobbiamo pulire questi prima di fornire alle persone l'acqua pulita e adeguata per bere. Pensiamo al cibo e alla sicurezza nutrizionale.Non è solo cibo che è richiesto, abbiamo bisogno anche degli integratori nutrizionali e credo che l'ultima cosa che sai ha avviato qualche governo è che almeno possiamo anche guardare ai requisiti nutrizionali per il paese e come integrarlo con i requisiti alimentari di base. Quelle cose sono molto cruciali per noi e quelle sono destinate a postare sfide su come aumentare sia il cibo che gli integratori nutrizionali per tutta la popolazione. Ora pensiamo alla prossima grande questione che è l'energia.L'energia è stata sempre la sfida più grande. Tutti questi gadget che conosci in questa stanza per quello che stiamo usando, tutti i tuoi dispositivi, tutto richiede energia per il suo funzionamento. Le risorse energetiche sono molto limitate e sono sicuro che hai consapevolezza che molti di voi conoscono le guerre; molte questioni globali succedono perché le persone vogliono occupare le risorse energetiche limitate. E vogliono avere più monopoli su di loro e quindi il prezzo per la benzina e tu conosci il diesel, tutte queste risorse energetiche sono sempre onerose. Abbiamo sempre quella paura che sai come ci riforniamo e andando a mantenere i requisiti energetici. Quindi dobbiamo iniziare a esplorare alcune risorse alternative di energia.Ad esempio con il biocarburante, il potere eolico, il sistema fotovoltaico o la potenza geotermica couldbe usate come risorse energetiche alternative che potrebbero essere utilizzate per soddisfare i requisiti globali dell'energia. Ancora biotecnologie come può aiutare?Le persone hanno iniziato ad esplorare diversi ceppi di cianobatteri e alghe e a guardare atquesti microalghe che potrebbero produrre questi lipidi che possono darci il biocarburante. Può essere molto pulito e si conosce un modo molto efficiente di produrre biofuels.Sebbene, si sa di produrre a quel livello di massa per produrre quel livello che potrebbe fornire requisiti energetici sufficienti per la grande popolazione è impegnativo e ma il lotto di ricercatrici sta realmente accadendo come sfruttare i poteri di queste microalghe una sorta di batteri toutilizzano diversi biocombustibili puliti alternativi per tutta la popolazione. Così in generale abbiamo discusso di diverse problematiche che stanno colpendo la salute e l'umanità e non c'è confine tra ingegneri e medici e biologi e politologi di base. Tutti influenzano ugualmente da questi problemi se parliamo di inquinamento, disastri naturali, esplosione demografica, cambiamenti climatici, riscaldamento globale, deforestazione, impoverimento delle risorse naturali, perdita di biodiversità, aumento della droga resiste ai batteri, sistema di smaltimento dei rifiuti, deforestazione ecc. Dunque tutti questi sono i grandi temi che sono davanti a noi che rimette di nuovo la domanda perché questo corso e il perché di cui abbiamo bisogno per discutere su tutti questi punti. Così grandi problemi di vita, richiedono competenze interdisciplinari per soluzioni efficaci di queste majorproblematiche. L'ingegneria genetica e le biotecnologie si propone di fornire alcuni di questi promettenti solutioni.Inoltre, ora vediamo che ci sono molti dispositivi di assistenza sanitaria in cui peopledesidera utilizzare molte app e dispositivi medici e biosensori simultaneamente per la salute. E quelli di nuovo richiede molta comprensione della salute e del sistema biologico e dei dispositivi di ingegneria e come per fare questo tipo di dispositivi intelligenti per le soluzioni sanitarie. Così fermiamo qui di seguito. Sono sicuro di sapere che siete ormai consapevoli che ci sono molte questioni che dobbiamo affrontare insieme a noi per capire insieme. Continuerò alcuni degli altri punti importanti che sono legati a questo corso incessa la lezione continua nella prossima classe. Grazie.