Le Biotecnologie nella Bioeconomia

Transcript

1 Le Biotecnologie nella Bioeconomia Bioeconomia e biotecnologie: cosa sono? La bioeconomia è la branca dell'economia che studia, e di conseguenza dipende, dalle risorse di tipo biologico, quali risorse alimentari, energetiche (come ad esempio il legno), fibre naturali (come cotone e lana), e materiali per le costruzioni. Si potrebbe pensare che questo ramo dell'economia sia molto recente, e che sia nato solo nell'ultimo periodo, ma in realtà la bioeconomia è la componente più antica di questa disciplina; se ne sta parlando molto negli ultimi anni perché ci stiamo rendendo conto che risorse per noi essenziali oggi, come il petrolio, stanno esaurendo sensibilmente e c'è bisogno di nuovi materiali e nuove tecniche che le possano sostituire. Fra queste nuove tecniche si stanno sviluppando tante procedure legate alle biotecnologie; secondo la Convenzione sulla Diversità Biologica la definizione di Biotecnologia è la seguente: La biotecnologia è l'applicazione tecnologica che si serve dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine specifico. E' quindi una materia che segue molto gli interessi della bioeconomia, in quanto capace di sfruttare nuove risorse e nuovi materiali biologici per produrre nuovi output più ecologici e sostenibili. Le biotecnologie si dividono in cinque categorie principali : 1. Biotecnologie blu o marine 2. Biotecnologie verdi o agroalimentari 3. Biotecnologie grigie o ambientali 4. Biotecnologie rosse o farmaceutiche 5. Biotecnologie bianche o industriali

2 Due tipi di Biotecnologie Le due categorie che meglio soddisfano i bisogni della bioeconomia sono le biotecnologie verdi e le biotecnologie bianche. Le prime operano nel campo agroalimentare, quindi si occupano dei processi agricoli e di come migliorarli e sfruttarli con meno perdite e costi possibili. Un esempio è la resistenza ad erbicidi, malattie o infestazioni indotta alle piante; l applicazione più conosciuta è sicuramente il mais Bt, una pianta di mais modificata geneticamente in modo da produrre una tossina batterica, proveniente dal Bacillus thuringiensis (da cui il nome Bt), tossica per gli insetti. Esistono anche modifiche che intervengono su intere vie metaboliche in modo da incentivare la produzione di metaboliti secondari. L utilizzo delle biotecnologie agroalimentari nelle coltivazioni, se correttamente contestualizzata alle esigenze della società e del mondo agricolo, è importante per raggiungere incrementi di produttività soprattutto nelle aree dove gli eventi climatici avversi si verificano con intensità maggiore. Le biotecnologie bianche invece fanno parte del settore che si occupa dei processi di interesse industriale; le principali applicazioni in questo settore prevedono l utilizzo di enzimi, cioè proteine deputate ad accelerare un data reazione chimica. Enzimi come emicellulasi, xilanasi, lipasi ed ossidasi sono utilizzati per migliorare la resistenza della rete del glutine nei processi di panificazione. Nel settore dei succhi di frutta, gli enzimi pectinasi sono impiegati per scindere la pectina, un polisaccaride presente nella frutta, requisito fondamentale per ottenere succhi di frutta limpidi e stabili. Nell industria della carta l utilizzo delle cellulasi, enzimi in grado di degradare la cellulosa, permette notevoli risparmi ambientali rispetto al tradizionale procedimento chimico. APPLICAZIONI Analisi e identificazione Uno dei campi principali dove le biotecnologie agiscono a favore della bioeconomia è la genetica; grazie alle nuove tecniche è possibile analizzare enormi quantità di materiale genetico e usare queste informazioni per migliorare la produzione di un certo prodotto alimentare modificando a livello microscopico l'alimento. E' stata fondamentale in questo campo la rapida discesa dei costi e altrettanto rapida ascesa della qualità delle performance, fenomeno che ha colpito vari applicazioni genetiche come il sequenziamento e la sintesi del DNA o lo studio dell'espressione proteica. Questo fenomeno è raffigurato nella Curva di Carlson.

3 Un esempio di applicazione genetica sono i microarrays; un microarray è un insieme di microscopiche sonde di DNA attaccate ad una superficie solida come vetro, plastica, o chip di silicio, formanti un array, ovvero una matrice; queste matrici (di cui un esempio è l'immagine qui riportata) permettono di esaminare simultaneamente la presenza di moltissimi geni all'interno di un campione di DNA. Un utilizzo tipico è quello di confrontare il profilo di espressione genica di un organismo malato con quello di uno sano per individuare quali geni sono coinvolti nella malattia. I microarray sfruttano una tecnica di ibridazione inversa, che consiste nel fissare tutti i segmenti di DNA su un supporto e nel marcare invece l'acido nucleico che vogliamo identificare (detto target). È una tecnica che è stata sviluppata negli anni '90 e oggi permette l'analisi dell'espressione genica monitorando in una sola volta gli RNA prodotti da migliaia di geni. Un esempio ancora sono i DNA-markers, i marcatori genetici; questi sono delle sequenze di DNA conosciute che possono essere identificate in modo semplice e diretto. Un marcatore genetico può essere costituito sia da brevi che da lunghe sequenze di DNA che ricorrono molte volte in particolari tratti e la loro analisi permette un aumento di efficacia di miglioramento genetico. ESEMPI: Esistono centinaia di varietà di frumento, e lo sviluppo dei marcatori di DNA, nello specifico dei microsatelliti, ha permesso di studiare un numero molto elevato di siti cromosomici utili per differenziarli e per eseguire un identificazione genetica. La certificazione dei prodotti a base di cereali può prevedere che le singole specie vengano distinte mediante analisi standard di laboratorio all interno dei prodotti di post raccolta di prima e seconda trasformazione; inoltre la rintracciabilità genetica prevede che in ogni passaggio della catena di trasformazione dei materiali di base sia possibile dimostrare l'autenticità della matrice alimentare. La distinguibilità prevede non solo l identificazione genetica del prodotto commerciale così come definito su etichetta, ma anche la verifica di eventuali contaminazioni e misture con altri cereali. Le tecniche più diffuse di laboratorio si distinguono in analisi di marcatori molecolari ed in analisi genetiche di marcatori biochimici costituiti principalmente dalle proteine di riserva del seme; i marcatori genetici molecolari evidenziano mutazioni e variazioni a carico della sequenza del DNA. Queste ultime sono causate da mutazioni spontanee il cui effetto fenotipico può essere visibile

4 oppure mancare del tutto; ad esempio, tra le mutazioni con effetto fenotipico visibile si cita quella che ha nanizzato la statura della pianta. I marcatori genetici si sono rilevati utili anche nel riconoscimento della provenienza e nell'accertamento della varietà di oli, che vengono spesso mischiati con altri di qualità minore o semplicemente l'etichetta non corrisponde alla verità. Metagenomica Un'altra tecnica biotecnologica conveniente alla bioeconomia è la metagenomica; la metagenomica si basa su di un approccio incentrato sull'utilizzo di tecniche genomiche moderne per lo studio di comunità microbiche direttamente nel loro ambiente naturale, evitando così il problema del prelevamento e coltivazione in laboratorio. Si basa sul sequenziamento del genoma di microrganismi di uno stesso luogo, e la maggior parte di questi organismi è di difficile coltivazione a causa delle loro particolari esigenze di habitat. Non potendo coltivare queste forme di vita, occorre un prelievo nei siti in cui esse crescono attivamente. ESEMPI: La metagenomica si è rilevata molto utile negli ultimi anni per lo studio del suolo: la caratterizzazione e l analisi dei genomi microbici del suolo è, attualmente, l approccio scientificamente più avanzato per poterne studiare la fisiologia e sfruttarne le potenzialità applicative (fertilità, cicli biogeochimici, biorisanamento, ecc). Finora la metagenomica è stata applicata ad ambienti relativamente semplici o particolarmente specializzati (es. acque di mare, apparato gastrointestinale umano, ecc.); tuttavia lo sviluppo delle nuove tecnologie di sequenziamento rende adesso possibile anche il completo sequenziamento del metagenoma del suolo che, da un punto di vista microbiologico, è certamente l ambiente più complesso. La conoscenza del metagenoma del suolo aprirà la strada alla comprensione del ruolo dei microrganismi nella funzionalità del suolo stesso e nei suoi processi, nella sua fertilità e sostenibilità, permettendo di affrontare in modo scientifico fenomeni come l impoverimento e l erosione del suolo che minacciano vaste aree coltivabili del pianeta. E, infatti, ampiamente riconosciuto che l intensificarsi dei processi produttivi in agricoltura ha causato una perdita di biodiversità microbica del suolo e che i maggiori processi di degradazione sono riconducibili ad una drastica riduzione di attività biologica. Un altro caso in cui la metagenomica si rivela molto utile è collegato a Craig Venter (immagine) ed il suo GOS, ovvero Global Ocean Sampling Expedition; Venter è un biologo statunitense famoso per molti suoi progetti, fra i quali il sequenziamento del DNA dei microorganismi del mare. Egli e la sua squadra hanno raccolto con una nave campioni di acqua

5 marina ogni 200 miglia in giro per il mondo, per scoprire la diversità genetica nelle comunità microbiche marine e per capire i loro ruoli nei processi naturali fondamentali; grazie a questa spedizione Craig Venter e il suo team hanno scoperto circa 5 milioni di nuovi geni. I microrganismi marini in grado di digerire sostanze inquinanti, produrre idrogeno, assorbire anidride carbonica e generare metano ci insegneranno nuovi trucchi per ridurre l' inquinamento e creare energia pulita [Cit. articolo de La Repubblica, 26 Luglio 2010]. X-omics Il suffisso -omica (in inglese omics) si riferisce ad un campo di studio della biologia che raccoglie un ampio numero di discipline, come la trascrittomica, la proteomica e la metabolomica, che studiano rispettivamente il trascrittoma, il proteoma e il metaboloma. La proteomica consiste nell'identificazione sistematica di proteine e nella loro caratterizzazione rispetto a struttura, funzione, attività, quantità e interazioni molecolari. Il proteoma è l'insieme di tutti i possibili prodotti proteici espressi in una cellula; il proteoma è dinamico nel tempo, varia in risposta a fattori esterni e differisce sostanzialmente tra i diversi tipi cellulari di uno stesso organismo. Questo termine è stato coniato in analogia al termine genomica, disciplina rispetto alla quale la proteomica rappresenta il passo successivo, essendo molto più complessa. Il trascrittoma è l'insieme di tutti i trascritti (RNA messaggeri o mrna) di un dato organismo o tipo cellulare. Da questo concetto deriva la trascrittomica, una delle branche che si sono evolute dopo i primi sequenziamenti di interi genomi, quando ci si rese conto del limite imposto dalle analisi d'espressione genica usate tipicamente fino a quel momento, in grado di quantificare in modo relativo (cioè utilizzando come riferimento l'espressione di un gene che mantiene un'espressione costante) o in modo assoluto (numero di copie di un dato mrna presente nella cellula) l'espressione di solo uno o pochi geni. La trascrittomica mira all'analisi di interi profili d'espressione, cioè a quantificare l'espressione di un gran numero o di tutti i trascritti, il trascrittoma appunto. La metabolomica è lo studio sistematico delle uniche impronte chimiche lasciate da specifici processi cellulari, in particolare lo studio dei loro profili metabolici in molecole piccole. Il metaboloma rappresenta l'insieme di tutti i metaboliti di un organismo biologico, che sono i prodotti finali della sua espressione genica; il profilo metabolico può fornire un'istantanea della fisiologia di quella cellula. Una delle sfide della biologia sistemica è di integrare la proteomica, la trascrittomica e le informazioni metabolomiche per avere una visione d'insieme più completa degli organismi viventi.

6 ESEMPIO: Queste tecniche sono molto utili per la nutrizione e per la sana alimentazione; è nato un campo di ricerca chiamato Food-omics, che si pone come scopo il miglioramento della qualità del cibo. Questo sistema è stato sviluppato per favorire produzioni agricole diversificate, per proteggere i nomi dei prodotti da imitazioni e abusi, ma anche per aiutare i consumatori dando loro informazioni specifiche sui prodotti che comprano. E' nata quindi un' intensa collaborazione tra gli esperti di diversi campi della scienza del cibo e della nutrizione con esperti di -omica, che ha permesso di rispondere a varie domande sulla sicurezza, qualità e tracciabilità del cibo. Ingegneria genetica Con il termine generico di ingegneria genetica si fa riferimento ad un insieme molto eterogeneo di tecniche che permettono di isolare geni, clonarli, introdurli ed esprimerli in un ospite eterologo (differente dall'ospite originale). Queste tecniche permettono di conferire caratteristiche nuove alle cellule riceventi. Le cellule così prodotte sono chiamate ricombinanti. L'ingegneria genetica permette anche di alterare la sequenza di DNA del gene originale e di produrne uno più adatto a rispondere ad esigenze specifiche, come avviene ad esempio per quanto riguarda gli OGM. Esistono molte tecniche in questa materia di studi, fra le più usate: il DNA-shuffling, ovvero l'inserimento di una mutazione che porta benefici la quale si ricombina e si duplica con il DNA dell'organismo; il MAGE (Multiple Automated Genome Engineering), grazie al quale si introducono frammenti di DNA sintetico in cellule che si stanno dividendo per ottenere delle mutazioni permanenti; Il silenziamento genico, tecnica con la quale si inibisce l'espressione di un gene per vedere la sua funzione; ed infine la biologia sintetica, che si progetta e fabbrica componenti e sistemi biologici non ancora esistenti in natura, e riprogetta e produce sistemi biologici già presenti in natura. ESEMPI: George Church e il Wyss Institute sono riusciti a far sintetizzare ad un batterio (Escherichia Coli) una sostanza 5 volte più del normale grazie alle tecniche sviluppatesi con il MAGE; questa sostanza è il licopene, ossia un antiossidante appartenente ai carotenoidi, naturalmente presente nei pomodori, nei quali indica il livello di maturazione. Per l'uomo questa sostanza è utile perché è capace di aumentare i livelli di colesterolo buono, riducendo i trigliceridi e diminuendo così la possibilità di

7 ostruzioni di vene e arterie e conseguenti malattie vascolari. (Nell'immagine a fianco un prototipo di MAGE device; nell'immagine sotto lo schema del funzionamento del MAGE). Parlando invece di biologia sintetica torniamo a Craig Venter: egli nel 2010 insieme a Clyde Hutchinson III e Hamilton Smith, biologi molecolari del JCVI (J. Craig Venter Institute), riuscì a creare nel 2010 la prima cellula sintetica, con un cromosoma interamente creato in laboratorio, in grado di dividersi e moltiplicarsi proprio come qualsiasi altra cellula vivente. Questo è stato fatto sintetizzando una molecola molto lunga di DNA contenente un intero genoma batterico e introducendo questa in un altra cellula. Nell'ottobre 2013 Craig Venter ha deciso che ancora non aveva fatto abbastanza e ha iniziato a costruire un gadget che potrebbe teletrasportare la medicina e i vaccini nelle nostre case o ai coloni nello spazio. E una scatola collegata ad un computer che tramite Internet riceve le sequenze del DNA e sintetizza proteine, virus e persino cellule viventi. Potrebbe, ad esempio, prescrivere l insulina, fornire il vaccino antiinfluenzale durante una epidemia e persino produrre virus batteriofagi in grado di combattere i batteri resistenti agli antibiotici. Potrebbe aiutare i futuri colonizzatori di Marte mettendo a loro disposizione vaccini, antibiotici o farmaci personalizzati necessari sul Pianeta rosso. E se mai si trovassero su Marte forme di vita basate sul DNA, i coloni potrebbero trasmettere sulla Terra una loro versione digitale consentendo agli scienziati di ricreare in laboratorio un organismo extraterrestre. 04/06/15 Cecilia Del Vecchio CdL in Biotecnologie Report di Bioeconomia, Prof. Gianluca Brunori