Biotecnologie
- 1. BIOTECNOLOGIE Per biotecnologie si intende l’utilizzo di organismi viventi, o parti di essi, per la realizzazione di processi e prodotti utili alla società. La pratica delle biotecnologie è cominciata con la selezione delle varietà coltivabili e la domesticazione degli animali. Prendiamo come esempio la storia della coltivazione del frumento; gli insediamenti agricoli più antichi furono scoperti in Palestina. I primi farri selvatici, però, avevano delle caratteristiche poco desiderabili per gli agricoltori, poiché la spiga matura era fragile e tendeva a lasciare cadere i chicchi sul terreno. Incrociando diverse specie selvatiche, gli antichi agricoltori riuscirono a produrre i primi tipi di frumento addomesticato. Questo dimostra come già in epoca antichissima gli agricoltori operassero un miglioramento genetico delle specie coltivate, volto a ottimizzare le caratteristiche. Oltre a modificare le piante, però, l’uomo imparò a sfruttare gli organismi per realizzare prodotti derivati ad alto contenuto energetico. Alla base delle produzioni di birra e vino, infatti, c’è il processo della fermentazione operato da numerosi microrganismi. Per l’alimentazione umana, i più importanti sono sicuramente i funghi unicellulari appartenenti al gruppo dei lieviti. L’utilizzo della fermentazione operata da microrganismi per la produzione di bevande e alimenti rappresenta il primo esempio di biotecnologie industriali. Se incrociamo due individui, i loro alleli vanno incontro ad assortimento indipendente; inoltre, la percentuale di discendenti in cui si manifesta un certo carattere dipende dalle caratteristiche di dominanza o recessività. Questo significa che per ottenere una nuova varietà di frumento dotata di una determinata caratteristica sono necessari migliaia di incroci. Per aumentare la variabilità genetica naturale, da alcuni decenni si trattano le specie vegetali da incrociare con agenti che inducono mutazioni; tuttavia questi agenti mutageni agiscono su tutto il DNA della pianta, alterandone il genoma in modo non controllato. A queste due possibilità, si è aggiunto anche l’utilizzo dell’ingegneria genetica. La differenza rispetto alle biotecnologie tradizionali, è che le tecniche basate sull’ingegneria genetica possono inserire geni provenienti da specie anche evolutivamente molto distanti, generando varietà impossibili da ottenere con gli incroci tradizionali. Le moderne biotecnologie, inoltre, offrono la possibilità di dotare gli organismi delle caratteristiche desiderate con un’alterazione genetica minima, spesso limitata a un singolo gene tra le migliaia che compongono il genoma. Gli organismi il cui assetto genetico è stato modificato attraverso le tecniche dell’ingegneria genetica sono detti organismi geneticamente modificati (OGM). Se prendiamo un frammento del tessuto di una pianta e lo mettiamo in un terreno di coltura in presenza dei giusti ormoni vegetali, otterremmo una masserella di cellule indifferenziate, detta callo. Questo a sua volta può essere coltivato in opportune condizioni per generare un clone, una piantina geneticamente identica alla pianta che aveva donato il frammento di tessuto. Se nelle cellule del callo, prima della rigenerazione, si introducono alcuni geni esogeni, si ottengono le piante transgeniche. Le piante transgeniche sono piante prodotte da cellule in cui è stato inserito un gene proveniente da un’altra specie allo scopo di far loro acquisire determinate caratteristiche. Per trasferire nuovi geni nelle piante si utilizza un particolare plasmide, detto plasmide Ti, derivato dal batterio patogeno vegetale Agrobacterium tumefaciens. Una applicazione di questa tecnica riguarda la creazione di piante resistenti ai parassiti. Il batterio Bacillus thuringiensis un comune abitatore del suolo, possiede un gene plasmidico detto cry che codifica per una proteina tossica nei confronti di molti insetti parassiti. La proteina si lega alle cellule dell’intestino degli insetti e ne compromette la funzione finchè l’insetto non riesce più a cibarsi e muore. La tossina è specifica per le cell7ule delle larve d’insetto e innocua per i vertebrati e per insetti benefici come le api. Le piante transgeniche che esprimono il gene, dette piante Bt, sono quindi resistenti a molti parassiti: il vantaggio immediato è che non serve più utilizzare i pesticidi chimici per proteggere i raccolti. Nel caso del mais Bt, vi è una sicurezza anche dal punto di vista della salubrità dei prodotti. Le lesioni causate dai parassiti, infatti, favoriscono la crescita di un fungo parassita che produce la fumonisina, una tossina pericolosa per gli esseri umani e gli animali. Se le larve degli insetti muoiono prima di danneggiare le foglie, il Fusarium non si diffonde. Oltre al miglioramento di varietà vegetali, le biotecnologie possono trovare applicazione anche nel settore industriale. I metalli pesanti (mercurio, piombo o cadmio) rilasciati dagli scarichi industriali sono tra gli inquinanti più pericolosi e difficili da eliminare e spesso contaminano le falde acquifere. Per questo motivo sono allo studio batteri geneticamente modificati in grado di rimuovere tali sostanze. Ad esempio, in batteri come Escherichia coli sono stati inseriti i geni Mert e MerP che codificano per un sistema di trasporto per il mercurio attraverso la
- 2. membrana della cellula batterica. Ai batteri è stato aggiunto anche il gene per la metallotionina di lievito: questa proteina è capace id legare il mercurio, intrappolandolo all’interno della cellula. I batteri ingegnerizzati possono poi essere immobilizzati su u supporto solido per creare dei biofiltri in grado di assorbire il mercurio presente nelle acque. Oltre ai biofiltri, è possibile generare dei biosensori batterici, in grado di rilevare la presenza di sostanze inquinanti nell’acqua o nel suolo. A questo scopo si utilizzano i batteri ingegnerizzati con il gene per la proteina fluorescente verde GFP proveniente dalle meduse. Quando la proteina viene sintetizzata il batterio diventa bioluminescente, ma l’espressione del gene è posta sotto il controllo di un promotore che si attiva solo se nel mezzo di coltura è presente un certo inquinante. Un altro processo basato sulla fermentazione da parte di microrganismi naturali è il compostaggio, una delle più comuni applicazioni biotecnologiche industriali. Si definisce compostaggio la trasformazione della frazione umida dei rifiuti solidi urbani e degli scarti della produzione agricola in terriccio da usare come fertilizzante. Nella prima fase del processo si opera l’ossidazione aerobica della frazione organica del materiale di scarto ad opera di batteri mesofili; come risultato si sviluppano acqua, CO2 e calore. Quando la temperatura degli strati interni supera i 50°C e l’ambiente è saturo di CO2, intervengono i batteri termofili anaerobi che completano la fermentazione. A questa fase segue la maturazione, processo in cui sono coinvolti i funghi che operano la demolizione delle sostanze più complesse. Il compostaggio industriale avviene spesso in bioreattori, ovvero fermentatori in cui è possibile controllare i diversi parametri che influenzano il passaggio tra le varie fasi, quali temperatura, umidità e ossigenazione. Inoltre è presente un sistema di raccolta dei liquidi prodotti durante il processo. La principale fonte di energia nel mondo è tutt’ora costituita dai combustibili fossili. Questi hanno però lo svantaggio di essere fonti non rinnovabili e, soprattutto, di immettere CO2 nell’atmosfera. Un’alternativa ai combustibili fossili è rappresentata dai biocombustibili come il bioetanolo o il biodiesel, sintetizzati attraverso processi fermentativi a partire da masse vegetali. I biocombustibili hanno un impatto sul CO2 pressochè nullo, in quanto liberano solo il diossido di carbonio fissato durante la vita della pianta. Il bioetanolo è prodotto dal processo di fermentazione degli zuccheri a partire dal mais, sorgo o canna da zucchero, mentre il biodiesel si prepara per raffinazione di oli vegetali da piante come la palma, la soia o la colza. Una fonte conveniente per la produzione di biocarburanti è rappresentata dalle biomasse di rifiuto. Queste biomasse sono ricche di carboidrati, ma presentano anche molecole complesse a struttura fibrosa; per rendere sfruttabili questi scarti, è necessario prima demolire queste molecole, liberando gli zuccheri di cui sono composte. Le vie enzimatiche per la degradazione dei carboidrati complessi sono presenti in numerosi batteri. Gli antibiotici sono molecole naturali prodotte dai funghi per difendersi di batteri e sono stati anche i primi farmaci biotecnologici. Un esempio è la penicillina, una molecola scoperta nella muffa del genere Penicillium. Dalla seconda guerra mondiale, attraverso il miglioramento dei processi biotecnologici, sono state ampliate le possibilità di produrre molecole di interesse farmaceutico grazie agli OGM. Il primo farmaco ottenuto grazie a queste tecniche fu l’insulina ricombinante, un ormone che è un importante regolatore del metabolismo del glucosio e la sua assenza provoca il diabete. Prima dell’introduzione dell’insulina ricombinante veniva somministrato l’ormone bovino purificato, che però poteva avere gravi effetti collaterali. Il gene dell’insulina umana è stato quindi clonato e fatto esprimere nei batteri, in modo da ottenerne grandi quantità in forma pura, e oggi è prodotta anche nei lieviti. Oltre all’insulina è possibile produrre: ormoni, fattori per la coagulazione, anticorpi e vaccini. Non solo i microrganismi, ma anche le piante possono essere utilizzate per produrre farmaci (tabacco). Il gene per l’anticorpo desiderato viene introdotto nelle piante clonate e si accumula nei tessuti vegetali, da cui può essere facilmente purificato. Uno dei vantaggi nell’utilizzo delle piante è che queste hanno un apparato per la sintesi e l’elaborazione delle proteine molto più simile a quello umano rispetto ai batteri.