5   Biotecnologie innovative e ingegneria genetica

Nell’insieme tali tecnologie costituiscono l’ingegneria genetica, un processo di modificazione del DNA che si svolge con una sequenza di più momenti [ 35 ]: 

1. Identificare il gene: esso produce una determinata proteina, tale operazione è forse la parte più complessa del processo ed è resa possibile dall’intervento di un enzima, la trascrittasi inversa, che, a partire dall’mRNA corrispondente al gene desiderato, consente di costruire una molecola di DNA duplex o cDNA sulla quale sarà facile lavorare [ 36 ]. 

2. Isolare il gene: l’isolamento avviene grazie a particolari “forbici” molecolari dette enzimi di restrizione (endonuocleasi) presenti normalmente nei batteri che li utilizzano per tagliare il DNA dei batteriofagi e “restringere” così la loro aggressività. Gli enzimi di restrizione sono stati scoperti negli anni ’60 del secolo scorso. Essi sono in grado di riconoscere specifiche sequenze di 4-6 basi azotate leggendole in entrambi i sensi senza cambiare il significato (sono cioè dei palindromi) e sono in grado di tagliarle e di frammentare il DNA in modo determinato. Le estremità tagliate vengono di nuovo saldate assieme per mezzo di altri enzimi colla chiamati ligasi [ 37 ]. 

3. Trasferire il gene: il trasferimento di frammenti di DNA estraneo nelle cellule batteriche avviene per mezzo di un vettore, un’altra struttura di DNA in grado di penetrare nel batterio. I vettori più frequentemente utilizzati sono plasmidi, batteriofagi (virus capaci di penetrare all’interno dei batteri) e virus (per le cellule animali). I plasmidi sono strutture genetiche tipiche dei batteri e sono costituiti da segmenti di DNA chiusi ad anello capaci di duplicarsi autonomamente e migrare da un batterio a un altro. Il tratto di cromosoma batterico che va a formare i plasmidi è caratterizzato dall’avere alle estremità sequenze simmetriche di nucleotidi che si riconoscono e si attraggono formando un anello che si apre per azione degli enzimi di restrizione. Di solito fra i geni che compongono i plasmidi ci sono anche quelli della resistenza agli antibiotici, che permetteranno di capire se è avvenuta la penetrazione nel batterio. 

4. Produrre i batteri ricombinanti: quando il vettore viene mescolato con i batteri o con le cellule vi penetra e ne diventa parte integrante. I nuovi batteri, che contengono DNA di diversa origine cDNA (DNA duplex) [ 38 ] vengono chiamati batteri o cellule ricombinanti.

La presenza nel plasmide di un gene di resistenza all’antibiotico consentirà di selezionare poi i batteri trasformati (ricombinanti) da quelli non trasformati. 

5. Produrre la proteina: la proteina così ottenuta (quella codificata dal gene inserito nel plasmide) in grande quantità sarà purificata e analizzata per determinare l’eventuale presenza di contaminanti. 

Le nuove cellule possiedono enormi potenzialità di lavoro altamente specializzato per le nostre necessità ad esempio con questa tecnica si sono prodotti alcuni ormoni fra i quali il primo fu l’insulina, per la cura del diabete.

Relativamente alle colture vegetali, le piante OGM sono state introdotte per incrementare la produzione alimentare, per migliorare le caratteristiche quantitative e qualitative dei vegetali nonché il contenuto di nutrienti degli alimenti da questi derivati. Sono state prodotte piante di mais, girasole, colza, patata, soia, pomodoro, legumi, frumento con proprietà particolari: maggior resistenza a condizioni climatiche avverse, a siccità, a virus, insetti e malattie fungine; sono state inoltre ottenute specie dall’aspetto più invitante e specie che resistono più a lungo sui banchi del supermercato. 

Ne sono esempi il Mon 810 [ 39a ], il mais transgenico resistente alla piralide che incorpora un gene del batterio Bacillus thuringiensis in grado di comportarsi come un insetticida naturale o il riso dorato (o riso d’oro o golden rice) [ 39b ] ingegnerizzato per produrre il betacarotene, precursore della vitamina A di cui il riso è carente o i pomodori transgenici, chiamati Flavr Savr, adatti al trasporto e alla conservazione. 

Il vettore principalmente utilizzato è l’Agrobacterium rhizogenes, un batterio che vive nel terreno e forma numerose radici pelose. Con l’ingegneria genetica si sfrutta la capacità di questo agrobatterio ingegnerizzato di penetrare e integrarsi nella cellula per inserirvi i geni che si vogliono trasferire. 

Altri mezzi sono la microiniezione di DNA e oggi sono anche stati costruiti cannoni a particelle di DNA con i quali i geni vengono “sparati” direttamente nelle cellule [ 40 ]. 

Oltre al gene utile vengono immessi geni di resistenza a un antibiotico in modo tale che, durante la rigenerazione in terreno di coltura contenente quell’antibiotico, vengano eliminate tutte le piante che non sono state ingegnerizzate. 

Le piante transgeniche così ottenute possiedono anche i geni di resistenza agli antibiotici che non si è ancora riusciti a eliminare ma ciò desta non poche perplessità circa il consumo alimentare di questi prodotti. Il fatto che si possa manipolare il genoma e che attraverso l’ingegneria genetica tale manipolazione possa superare la barriera della specie, ha suscitato grande scalpore e ha acceso un forte dibattito a livello nazionale e internazionale intorno alle tematiche sulla protezione dell’ambiente e della salute.

Il compito di danneggiare il DNA è affidato a specifiche proteine dette forbici molecolari che “leggono” tutto il genoma e tagliano nel punto desiderato [ 41 ]. Le più impiegate al momento per la versatilità e facilità di utilizzo sono le CRISPR-Cas9, costituite da un sistema costituito da due componenti: un RNA guida, che indica precisamente il punto in cui il DNA va tagliato, e una proteina, effettivamente responsabile del taglio. 

Il sistema CRIPSR-Cas9 fu reso noto nel maggio del 2012 con la pubblicazione dello studio di Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna, che per questa scoperta sono state insignite del Premio Nobel per la Chimica nel 2020. In campo agronomico questo metodo potrà rivelarsi utile per lo sviluppo di piante più resistenti alle malattie o alla siccità e ai cambiamenti climatici, per il miglioramento del sapore e della conservabilità, per l’aumento del contenuto di sostanze utili nella dieta, per il potenziamento delle capacità fotosintetiche e dell’incremento delle rese. 

In Europa sono in fase di sviluppo avanzato studi che, avvalendosi dell’utilizzo del sistema CRISPR-Cas9 per l’inattivazione di geni, riguardano la realizzazione di un grano a basso contenuto di glutine, con il quale produrre farina per persone affette da celiachia, mentre negli Stati Uniti è già sul mercato un olio di soia, detto Calyno, che contiene una minor quantità di grassi e si conserva per un tempo fino a tre volte superiore a un olio di soia convenzionale. 

Il genome editing in Europa attualmente è disciplinato dalle stesse disposizioni legislative della transgenesi, ma i ricercatori ritengono che questa legislazione dovrebbe essere modificata e meglio regolamentata. Il pericolo è che se venissero applicati anche alle Nbt i complessi requisiti normativi previsti per gli OGM, l’impiego di tecniche, quali il genome editing, verrebbe ostacolato e solo pochi sarebbero in grado di sopportare i costi imposti dalla Direttiva 2001/18/CE.

Le piante vanno coltivate in particolari serre o camere di coltivazione, con luci a LED di forte intensità, ottimizzate per massimizzare la fotosintesi in regimi intensivi, fino a 22-24 ore al giorno, con un consumo energetico minore rispetto all’illuminazione alogena usata in serra in precedenza, che generava molto calore, ma minore potere luminoso. Grazie a questo processo, la crescita dei vegetali è velocizzata al punto che i ricercatori sono riusciti a ottenere 6 raccolti all’anno di diverse varietà di colture quali orzo, grano duro, frumento tenero, piselli e ceci in un lasso di tempo di sole otto settimane.