LE BIOTECNOLOGIE IN AGRICOLTURA

Da sempre l'uomo coltiva e modifica le piante al fine di renderle sempre più adatte alle nuove esigenze. Con l'avvento delle biotecnologie questa possibilità si è enormemente ampliata e notevoli potranno essere i benefici per tutta l'umanità. Tramite il metodo del DNA ricombinante si potranno avere risparmi di tempo, terra e lavoro, consentendo ad esempio di studiare, attraverso cellule vegetali in laboratorio, ciò che fino a pochi anni fa era possibile osservare solo su colture dì centinaia di ettari coltivando in poche capsule apposite delle cellule equivalenti a milioni di piante. Con le biotecnologie si possono ottenere miglioramenti riguardo a:

- rispettare l'ambiente e l'uso delle risorse disponibili;

- tollerare le avversità (parass 757g62h iti, eccessi termici, carenza idrica);

- aumentare le richieste qualitative e quantitative;

Ecco alcune delle svariate selezioni che soddisfano le sempre maggiori esigenze umane.

Accanto a mais, riso, frumento, patate, pomodori ed avena, alcuni di essi trattati con geni particolari e così resi resistenti a certe malattie e parassiti - come la dorifera per la patata - si sono ottenuti anche alimenti che resistono a particolari erbicidi. E' il caso del mais transgenico di una nota multinazionale che resiste ad un suo particolare erbicida. Abbiamo ancora piante che, cadendo in una sorta di letargo, resistono alla siccità  o alla eccessiva salinità del terreno, pomodori resistenti al ghiaccio (con l'inserimento del gene per le proteine anticongelamento dei pesci d'acqua fredda) e piante in cui è stata incrementata la qualità dei loro prodotti. Oli vegetali con meno grassi saturi, frutta e verdure con più vitamine, patate con più amido (che non anneriscono dopo il taglio), con la conseguenza di assorbire meno olio nella frittura, caffè senza caffeina, sedano senza fili, colza più ricca di aminoacidi - che produce oli poveri di acido linoleico - al fine di ridurre gli odori della frittura e permette addirittura di fabbricare una plastica biodegradabile: con la prospettiva biotecnologica di arrivare a dei polimeri che consentiranno di fare a meno del petrolio. Inoltre, tramite l'inserimento di geni anti-gene, si sono ottenute verdure e frutta che rallentano la maturazione (es. pomodori, meloni e fragole) e mantengono lo stesso gusto. Si stanno cercando di ottenere piante autofertilizzanti per un migliore sfruttamento dei terreni (è il traguardo più ambito), poi uve senza semi e melanzane che danno frutto senza essere fecondate ed in qualsiasi stagione. Ciò che rallenta l'applicazione pratica di queste ricerche è il rischio ambientale del rilascio di piante (e animali) modificate geneticamente. Così come c'è preoccupazione per l'innocuità dei prodotti dell'ingegneria genetica: si teme che la pianta possa diventare infestante oppure tossica, tramite modifiche metaboliche non prevedibili, oppure possa passare il gene ad altre piante non desiderate. Inoltre l'uniformità genica può essere anche un grave svantaggio, là dove vi fosse ad esempio un virus patogeno per la pianta. Negli Stati Uniti la reazione ai prodotti modificati geneticamente per adesso è negativa, anche se la F.D.A. (Federal Drugs Administration) , che è ente preposto alla verifica della commestibilità, non li ha giudicati pericolosi: ne ha verificato il giusto contenuto nutrizionale, l'idoneità al consumo delle nuove proteine, ed il non inserimento di sostanze nocive, allergiche, ecc. L'Italia per adesso ha detto no al mais transgenico ma non ai suoi prodotti lavorati. Alcune attuali ricerche però mettono in guardia per l'aumentata diffusione di allergie, per i residui dell'erbicida negli alimenti, per l'invasività delle piante manipolate che potrebbero soppiantare le altre, determinando un aumento delle specie minacciate di estinzione, e per il foraggio manipolato riservato agli animali da macello che così entra nel ciclo della catena alimentare. Ciononostante anche le biotecnologie vegetali sembrano destinate allo sviluppo, se si vuol rispondere al sempre maggiore fabbisogno mondiale e salvare le colture contro agenti sempre più aggressivi.

Altri campi in cui le biotecnologie stanno trovando applicazione sono:

produzione di metano tramite batteri,

smaltimento dei prodotti di rifiuto e le biodegradazioni,

bioinsetticidi e i biodetersivi,

batteri per l'estrazione del petrolio,

produzione di plastica biodegradabile e biomateriali vari.

LE BIOTECNOLOGIE NELL'ALLEVAMENTO DEGLI ANIMALI

Il fabbisogno calorico quotidiano dell'intera umanità ha un incremento progressivo, che difficilmente sarà compensato senza l'introduzione di tecniche che possano agevolare le industrie zootecniche nell'allevamento degli animali, favorendo l'abbassamento dei costi di produzione ed il miglioramento della qualità dei capi. In questo caso, le applicazioni biotecnologiche potrebbero essere di enorme aiuto anche nel tentativo di sanare il problema dell'alimentazione a livello mondiale. Il loro ruolo si concretizza in tre direzioni:

-riduzione dell'intervento farmacologico;

-diminuzione dell'impatto ambientale;

-riduzione dei costi di produzione e adeguamento a specifiche esigenze nutrizionali.

Viste in sé, queste direzioni tendono: a far diminuire i residui farmacologici negli alimenti, favorendo la selezione degli animali più resistenti e/o introducendo nuovi tipi di vaccini; a favorire un minore danno ambientale in termini di inquinamento dell'aria (odore, produzione di metano e idrogeno), della terra e delle falde acquifere, là dove gli allevamenti sono particolarmente concentrati. Le ricerche in questo campo sono rivolte a realizzare microorganismi capaci di degradare, con altissima efficienza, le deiezioni è/o influire sulla digeribilità (tramite nuovi enzimi cellulosolitici) ed utilizzazione dei mangimi, in modo da ridurre le quote di deiezione stessa.

Inoltre si sta ottenendo un miglioramento della efficienza produttiva in termini quantitativi e qualitativi: tramite l'ormone somatotropo si può avere già oggi un incremento della produzione del latte ed un risparmio sugli alimenti. Si tenta la strada per ottenere super-animali (in laboratorio sono già stati ottenuti dei super-topi ed anche salmoni giganti) e si possono moltiplicare capi pregiati tramite tecniche di clonazione.

Ancora: mucche con latte più digeribile, pecore con più quantità e qualità di lana, uova contenenti più albumina e quindi con un maggior valore nutrizionale e batteri che proteggono per un periodo più lungo, gli insaccati. Si possono attivare e fertilizzare in vitro parte degli ovociti recuperabili dalle ovaie di animali deceduti, oppure aspirare follicoli e poi, con tecniche di clonazione, avviare riproduzioni ed allevamenti più intensi degli attuali, basati sui cicli naturali. In ultimo si pensa di ottenere fermenti lattici sia di elevato valore nutritivo, nel caso fosse necessario un maggiore apporto, sia di basso contenuto calorico, per particolari diete.

La realizzazione in laboratorio di animali transgenici, è ormai quasi una routine e il problema che si pone concerne le condizioni etiche dell'impiego di questi animali quali cavie di laboratorio e, più in generale, la questione dei criteri etici della sperimentazione animale. Gli animali da nutrizione come i maiali "ingegnerizzati", ad esempio presentano sì le caratteristiche desiderate come uno sviluppo maggiore e più rapido, un incremento del peso e dei tessuti muscolari, un miglior rapporto tra carne e grasso, una maggior resistenza alle malattie, ma soffrono di disturbi congeniti come il diabete, la distrofia muscolare, ulcere gastriche artriti ecc., evidenziando così come la tecnica del trapianto di geni sia ancora da mettere a punto.

Ma in quale misura la sofferenza, lo stress, e il danno arrecati agli animali, possono venir legittimati dall'esigenza di far progredire la ricerca genetica e biomedica? Vi è tra queste due posizioni, la possibilità di un dialogo e di un superamento sia dell'assolutismo scientifico sia dell'antisperimentalismo?

Biotecnologie ambientali

Sotto questo nome sono comprese tutte le applicazioni biotecnologiche volte alla salvaguardia delle risorse naturali, alla prevenzione dei danni ambientali, al trattamento dei rifiuti solidi, liquidi e di emissioni gassose e al risanamento delle aree inquinate.

Al momento sono ampiamente diffuse ed utilizzate a livello europeo le seguenti tecnologie:

a) trattamento biologico anaerobico di acque di scarico civili ed industriali;

b) pretrattamento anaerobico di acque di scarico;

c) digestione anaerobica di fanghi urbani;

d) digestione anaerobica di rifiuti solidi organici;

e) compostaggio di rifiuti organici;

f) trattamento di emissioni gassose mediante biofiltri;

g) biorisanamento di suoli contaminati;

Appare chiaro come attualmente le Biotecnologie Ambientali (BA) siano prevalentemente orientate a curare più che a prevenire, ma in futuro ci si aspetta uno sviluppo di esse nel campo della prevenzione.

Quelli che seguono sono alcuni esempi di BA sia nel campo del monitoraggio e del trattamento sia in quello della prevenzione.

Il biomonitoraggio di contaminanti ambientali

La possibilità di monitorare la presenza nell'ambiente di contaminanti chimici mediante biosensori rappresenta un esempio di un sistema integrato biologico ed elettronico. Le conoscenze di genetica e biologia molecolare ci forniscono le basi per utilizzare le risposte trascrizionali dei batteri ai contaminanti ambientali attraverso la riprogrammazione dei geni. Il gene reporter programmato per attivarsi in presenza di particolari sostanze può infatti essere riprogrammato per esprimere un prodotto con una particolare attività enzimatica o un fenotipo facilmente rilevabile con misure fisiche (es. emissione di luce) o immunologiche. In questo modo la presenza o l'assenza di un determinato contaminante viene eventualmente tradotta in una proprietà fisica misurabile; si può infatti aumentare o diminuire la sensibilità del sistema reporter aumentando o diminuendo il livello di espressione del gene.

Una classe importante di inquinanti è rappresentata dai metalli pesanti in particolare il mercurio, lo zinco, il cromo, il cadmio e il nichel. Diversi sistemi batterici che conferiscono resistenza a questi metalli sono ben conosciuti e possono pertanto essere utilizzati per costruire biosensori

Bioconversioni

Le bioconversioni sfruttano l'enorme capacità degli organismi di bonificare chimicamente una grande varietà di composti organici. Tra i prodotti ottenibili per via biologica si possono menzionare: etanolo, acidi organici, acetone, butanolo, ed anche amminoacidi, vitamine ed antibiotici. Le bioconversioni sono preferibili alle sintesi chimiche tradizionali per le seguenti ragioni:

a) Specificità di substrato: un enzima catalizza generalmente una sola specifica reazione;

b)    Se sono presenti sulla molecola dei gruppi funzionali solo una specifica posizione può essere attaccata;

c) Le reazioni avvengono in condizioni blande (ambiente acquoso senza uso di solventi organici) ed ecocompatibili.

Le più importanti reazioni di bioconversione mediate da microrganismi possono essere raggruppate nelle seguenti categorie: idrolisi, formazione di nuovi legami C-C, ossidazioni, ossidrilazioni, condensazioni, isomerizzazioni. Le bioconversioni rappresentano sicuramente un esempio di BA quando vengono utilizzate per la trasformazione di composti come idrocarburi aromatici che costituiscono una delle fonti principali di inquinamento. Inoltre l'ossidazione di essi mediata da ossigenasi batterica può portare alla produzione di sostanze di grande interesse industriale nel campo della sintesi di farmaci, polimeri, coloranti, aromi, eccetera.

Biorisanamento di ambienti contaminati

E' il processo che impiega tecniche biologiche per il recupero di acque e terreni inquinati da scarichi industriali o da petrolio. Infatti i microrganismi grazie alla loro potenzialità metabolica sono in grado di degradare una vasta gamma di inquinanti organici, come: benzine, gasolio, oli combustibili, catrame, cianuri, solventi aromatici, e composti aromatici clorurati.

Alcuni composti però risultano particolarmente resistenti all'attacco microbico. In questi casi risulta spesso impossibile selezionare dall'ambiente microrganismi in grado di degradarli: esiste però la possibilità di costruire in laboratorio ceppi microbici ricombinanti con nuove capacità degradative, ricorrendo alle tecniche del clonaggio di nuova informazione genetica.

I vantaggi dei trattamenti biologici sono: costi molto contenuti; bassi consumi energetici; terreni bonificati biologicamente attivi; scarsi rischi di inquinamento di acque e aria circostante.

Gli interventi di bonifica di siti contaminati possono essere di due tipi:

a)   Trattamenti in situ: il terreno viene trattato direttamente sul posto senza essere rimosso;

b)   Trattamenti on site/off site: nel primo caso il terreno viene rimosso per essere trattato in un impianto mobile sul posto; nel secondo caso l'impianto di trattamento è ubicato in un luogo distante.

Le principali tecniche di intervento in situ sono la bioventilazione e la bioinsufflazione che si basano entrambe sulla stimolazione della biodegradazione aerobica dei contaminanti.

Le principali tecniche on site/off site sono il landfarming, il compostaggio e i bioreattori, che si differenziano tra di loro per i metodi di aerazione e di miscelazione.

Esempi di processi di biorisanamento

Gli esempi più noti sono quelli relativi al trattamento di acque e suoli contaminati da petrolio a seguito di sversamenti o incidenti a carico di oleodotti o petroliere. Questo tipo di intervento è destinato a sostituire in gran parte altri tipi fisici o chimici finora utilizzati. I metodi fisici, che consistono nell'asportazione del suolo fino a mezzo metro di profondità, o nel lavaggio di spiagge e rocce dal petrolio, sono lunghi, costosi e scarsamente efficaci.

I mezzi chimici sono invece causa di seri problemi ambientali se utilizzati in acque costiere poco profonde.

La degradazione microbica degli idrocarburi è un processo ben conosciuto sia dal punto di vista biochimico che genetico, e rappresenta sicuramente il miglior approccio per rimuovere il petrolio da coste e acque poco profonde. Il più colossale intervento di biorisanamento in ambiente naturale è rappresentato dalla ripulitura di duecentomila barili di petrolio in Alaska nel 1989. Si è trattato però di un intervento basato esclusivamente sul potenziale decontaminante dei microrganismi presenti nel sito contaminato senza il ricorso a microrganismi opportunamente selezionati come invece è stato sperimentato per la prima volta in occasione di una consistente perdita di petrolio nel Golfo del Messico nel 1990.

La scelta della tipologia di trattamento deve essere fatta sulla base di diversi parametri come le proprietà chimico fisiche dei contaminanti e le caratteristiche microbiologiche del sito. Ad essi vanno affiancate valutazioni di tipo economico e di impatto ambientale.

BIOTECNOLOGIE IN MEDICINA

La prima di queste possibilità è avere una banca anticorpale per qualsiasi evenienza e modificabile all'insorgere di una nuova necessità.

Poi la capacità di selezionare e far evolvere artificialmente,mediante amplificazione e mutazione,diverse macromolecole in modo da ottenere farmaci e reagenti a misura d'uomo.

Alla base  della produzione di nuovi farmaci vi è lo studio dei geni,della loro espressione e quindi della sintesi delle proteine.

Per arrivare all'elaborazione di nuovi farmaci,infatti,si puo' procedere dall'analisi dei geni che si esprimono in un tessuto colpito dalla patologia e confrontarli con l'elenco dei geni che si esprimono nel tessuto sano:le differenze che emergono saranno appunto costituite dai geni coinvolti nella malattia.

Con queste informazioni è possibile sintetizzare le proteine specificate da questi geni e produrre,quindi,sulla base di queste,il farmaco.

Una dlle tecniche che segue questo sistema,si basa su un'importante "prodotto intermedio" della sintesi proteica:l'mRNA.

L'importanza di questa molecola nella ricerca sta nel fatto che essa viene prodotta solo quando il gene corrispondente è attivo:studiando l'intera molecola di DNA si rischia di non distinguere i geni che verranno espressi nella patologia da quelli che rimarranno inattivi.

L'mRNA è pero' una molecola instabile e difficile da maneggiare e si lavora quindi con un suo surrogato:una copia chiamta DNA complementare(cDNA),prodotto invertendo il processo utilizzato dalla cellula per costruire l'mRNA dal DNA.

Una volta ottenuta una molecola di cDNA,dopo averla riprodotta,possiamo ricavare informazioni importanti sulla proteina specificata e produrre quindi il farmaco.

Un'ulteriore speranza deriva dalle cellule coltivate in laboratorio mediante quella che viene chiamata "ingegneria tessutale".

Negli Stati Uniti,la Gems Aim produce su scala industriale pelle coltivata a partire da biopsie e la spedisce in tutto il mondo.

Da un pezzetto di pelle,moltiplicata su di un supporto di sostanze organiche e sintetiche,si arriva a produrre 3mq. nell'arco di 3 settimane.

La coltivazione di cellule puo' essere particolarmente utile per quei tipi di esse che non si riproduco dopo un danno traumatico o patologie varie:pensiamo ai grandi ustionati oppure ai soggetti con ferite che non guariscono come le ulcere varicose o diabetiche.

In modo particolare poi tale tecnica potrebbe essere utile per la coltivazione di neuroni: pensiamo al morbo di Parkinson,l'epilessia,la demenza ecc.Da ultimo accenniamo all'importanza che gli animali e piante transgeniche stanno rivestendo per le biotecnologie.

Le loro maggiori applicazioni sono:

utilizzo come bioreattori per la produzione di ormoni e proteine.La prima fu l'insulinam sperimentata nel 1980,poi è stata la volta dell'interferone,che trova applicazioni nella terapia antitumorale,dell'ormone della crescita e mplte altre ancora.

produttori di organi compatibili con l'essere umano e quindi trapiantabili.Vi è la recente notizia della possibilità di far nascere e vivere embrioni di rana senza il cervello,che apre le porte ad una possibile clonazione e produzione di organi umani.Questo riprogrammando geneticamente gli embrioni,in modo da sopprimere la crescita di tutto il corpo con l'eccezione delle parti volute,piu' un cuore ed un sistema di circolazione sanguigna.Si intravede percio' la possibilità di avere organi umani senza un'essere umano completo ?

Questi procedimenti,anche se hanno delle notevoli implicanze etiche,sembrano indispensabili ai biotecnologi per una maggiore conoscenza del patrimonio genetico umano e per lo studio di particolari malattie,al fine di perseguire terapie geniche piu' efficaci.

TERAPIA GENICA

Per terapia genica si intende l'introduzione in organismi e cellule umane di un gene funzionante che ha l'effetto di prevenire e/o curare una condizionre patologica.

Esistono in teoria due possibili tipi di terapia genica:

il 1° mira a correggere i difetti genetici in cellule della linea germinale con effetti quindi sulla discendenza, il 2° si propone di eliminare o ridurre difetti molecolari a livello delle cellule somatiche con effetti limitati all'individuo.

La terapia genica è,quindi,una forma di trattamento causale di una malattia ereditaria determinata da un'alterazione del genoma.

Tale mutazione puo' consistere nell'assenza dell'intera sequenza nucleotidica del gene,di una parte di essa,di una modificazione della sequenza stessa,anche limitata ad un singolo nucletide,o anche la presenza di un gene indesiderato dominante.

Rimane esclusa dalla terapia genica la possibilità di correggere anomalie cromosomiche sia di numero(mutazioni genomiche),che di struttura(aberrazione cromosomica).

L'intervento correttivo su una mutazione genica consiste idealmente nella sostituzione del gene alterato,o di una parte di esso,con una sequenza nucleotidica corrispondente alla variante normale del gene stesso.

POSSIBILITA' E LIMITI DELLA

TERAPIA GENICA

Delle oltre 4.500 malattie ereditarie conosciute pochissime sono quelle la cui localizzazione sui cromosomi è conosciuta.

Inoltre,per potere essere oggetto di terapia genica devono avere ad oggi particolari recquisiti,che ne limitano ulteriormente il numero.

Cio' non toglie,comunque,che alcune gravissime malattie siano oggetto di sperimentazione ed addirittura per alcune di esse si è già trovata una terapia.

Fra queste ricordiamo l'anemia falciforme,l'emofilia A,le talassemie,la fibrosi cistica,la Scid o Ada(immunodeficenza combinata grave),alcune deficienze enzimatiche ed il morbo di Alzheimer.

Il primo tentativo di terapia genica sull'uomo è stato effettuato nel 1970 da S.Rogers,a cui sono seguiti altri tentativi senza successo.

Ad oggi sono piu' di 150 i protocolli approvati,ed oltre 600 in tutto il mondo i pazienti trattati con terapia genica,anche se i risultati ottenuti non sempre sono incoraggianti.

La terapia genica troverà sempre piu' possibilità esecutive man mano che crescerà lòa nostra conoscenza riguardo al patrimonio genetico ed alle tecniche applicative.

Esperimenti su topi transgenici,trattati con omologhe malattie ereditarie umane hanno ormai dimostrato che la terapia genica ha una sua reale efficacia,pur tenendo presenti le debite differenze con l'essere umano.

Anche nella cura del cancro e nell'infezione da HIV,essa potrà permettere di raggiungere notevoli passi avanti.

Per il trattamento del cancro le terapie geniche in fase di sperimentazione seguono diverse strade.

In alcuni casi si rende necessaria l'introduzione nelle cellule tumorali di geni che producono molecole tossiche.

Riuscendo a far esprimere questi geni,si otterrebbe la produzione di proteine in grado di eliminare le cellule tumorali.

Un'altra terapia genica oggi ampiamente sperimentata si basa sulla modificazione delle cellule tumorali di un paziente con geni che codificano per le citochine(proteine che permettono ai linfociti B e T di comunicare tra loro).

Dapprima si rimuovono le cellule tumorali e vi si inseriscono genbi che codificano per le citochine.

Tali cellule alterate vengono poi reintrodotte nella cute o nei muscoli del paziente dove,secernendo citochine,attirano l'attenzione del sistema immunitario.

Ancora,un altro tipo di terapia genica prende in considerazione gli antigeni che vengono espressi dalle cellule tumorali.

Cosi' come i vaccini con citochine,questi vaccini anticancro basati sugli antigeni richiedono un trasferimento di geni,i quali sono introdotti direttamente nell'organismo o per mezzo di particelle di virus vaccino o tramite sistemi di veicolamento genico non virali come il DNA nudo.

Sebbene circa la metà di tutta la ricerca sulla terapia genica clinica si incentri oggi sul cancro,il secondo gruppo piu' ampio di studi(circa il 10%)è rivolto a combattere l'infezione da HIV.

Le terapie geniche sperimentali per Aids mirano ad uno di questi due risultati: impedire all'HIV di replicarsi entro le cellule infettate e impedire al virus di propagarsi alle cellule sane.

Il bersaglio finale di tutti questi sforzi è rappresentato dalle cellule staminali,i precursori delle cellule immunitarie e degli atltri elementi del sangue.

Queste cellule potrebbero essere rese resistenti all'HIV molto prima di maturare.

Per ora,tuttavia,i ricercatori possono al massimo tentare varie strategie sui monociti e sui linfociti T helper,le cellule immunitarie piu' pesantemente danneggiate dall'HIV.

Non è difficile isolare i linfociti T dal sangue,introdurre in essi un gene terapeutico e poi reimmetterli nella stessa persona o in un altro ricevente.

Per il trattamento dell'HIV si sta anche indagando la possibilità di utilizzare geni suicidi simili a quelli per le terapie geniche del cancro.