Capitolo 4 Biotecnologie: sviluppi e applicazioni

4 Biotecnologie:
sviluppi e
applicazioni




Traccia ai contenuti
1 Gli organismi transgenici
2 Animali transgenici
3 Piante transgeniche
- I vettori di materiale genetico
- Potenzialità delle piante transgeniche
4 Il rischio biotecnologico:
animali e piante transgenici
- Rischi per la salute
- Rischi per l’ambiente
5 Microrganismi naturali, transgenici
e loro applicazioni
- Industria farmaceutica
- Industria agroalimentare
6 Biotecnologie e problematiche ambientali
- Microrganismi e biodegradazione
- Il trattamento dei rifiuti
- Produzione di biocombustibili
- Produzione di biofertilizzanti
- Produzione di bioagrofarmaci
- Microrganismi per tutti gli usi
In sintesi
Un organismo geneticamente modificato (OGM) è un essere vivente al quale è stata modificata parte del genoma con l’aggiunta, l’eliminazione o la modifica di geni specifici, al fine di ottenere nuove caratteristiche genetiche utilizzabili in svariati ambiti applicativi, animali e vegetali. Le tecniche utilizzate per questi scopi sono appunto dette "tecniche di ingegneria genetica".
Gli OGM vengono anche detti organismi transgenici quando il materiale genetico inserito in un dato organismo proviene da un individuo di specie diversa.
I microrganismi, semplicemente selezionati oppure più o meno ingegnerizzati, vengono impiegati in svariati settori: dall'industria di trasformazione agroalimentare alle preparazioni farmaceutiche, dall'ottenimento di specifiche sostanze (enzimi) da essi prodotti alla difesa dell’ambiente naturale, dal risanamento di contaminazioni ambientali alla difesa delle produzioni agrarie.
Abstract
Chapter 4Genetically modlfied organisms
A GMO (genetically modified organism) is an organism in which part of the genome has been altered by adding, eliminating or modifying specific genes in order to obtain new genetic characteristics to be used in several areas of application, both animal and vegetal. The techniques applied for these purposes are called “genetic engineering techniques GMOs are also known as transgeme organisms when the genetic matter transferred into an organism belongs to a different species. Simply selected or engineered microorganisms are employed in severa! sectors: food processing and pharmaceutical industry, specific substances (enzymes) production, natural environment protection, recovery of environmental contamination, crop production defense.

1 Gli organismi transgenici

Organismi transgenici sono le specie viventi nelle quali sono stati inseriti, in laboratorio, uno o più geni estranei in modo da conferire alla discendenza nuove caratteristiche che siano di interesse per la medicina, l’agricoltura, l’industria.
Era il 1982 quando la rivista scientifica inglese Nature pubblicò in copertina la fotografìa a colori del primo topo transgenico gigante.
Nel patrimonio genetico di quel topo era stato inserito l’ormone della crescita del ratto: una tappa fondamentale nella storia della biologia molecolare!
Questo risultato costituisce una svolta nella storia del pianeta Terra e dell’uomo che la abita; esso ha sviluppi tali che deve prevedere uno statuto giuridico che tuteli i delicati equilibri che vengono toccati, scientifici ed eticomorali.
L’organismo transgenico viene coperto da brevetto, la compagnia biotecnologica che lo produce ne diventa la proprietaria: la Terra e i suoi abitanti rischiano di divenire una proprietà commerciale.


A sinistra il topo gigante, sviluppatosi da un uovo che aveva ricevuto il gene per l’ormone d’accrescimento (GH) del ratto; a destra, un topo normale della stessa specie
Gli organismi transgenici possono essere animali, piante e microrganismi.



Lo sviluppo delle biotecnologie procede in tutti i settori: (a) esempio di lotta microbiologica su insetti con l’ausilio di fungili entomopatogeni; (b) molte applicazioni biotecnologiche sono in fase di sviluppo anche su animali, ad esempio sul maiale per testare procedure o prelevare organi che sono poi utilizzati nella medicina umana; (c) le piante sviluppate in laboratorio, micropropagate, possono essere addizionate con geni miglioratori delle loro qualità intrinseche.

Gli organismi transgenici sono ingegnerizzati per inserzione di un gene, delezione di un gene o sostituzione di un gene mentre qualunque gene estraneo o modificato che viene aggiunto si chiama transgene.
I geni così inseriti possono funzionare normalmente, in quanto i meccanismi che presiedono alla trascrizione in RNA e alla traduzione dell’RNA in proteine sono essenzialmente gli stessi in tutte le forme viventi.
Un modo per studiare la funzione di un gene è la variazione del dosaggio genico: infatti se vengono inserite nuove copie geniche si ha un aumento della quantità di proteina, se invece i geni sono sostituiti con copie non funzionali (gene knockout) si ha diminuzione della quantità di proteina. La legislazione attuale, nei Paesi dove si utilizzano OGM, è molto severa sul controllo e la commercializzazione degli organismi geneticamente modificati. Il contesto normativo sugli OGM, in Europa, si fonda sul principio di precauzione e si basa sulla Direttiva 2001/18/CE che, sostituendo la 90/220/CEE, riscrive le regole base per l’autorizzazione al rilascio nell’ambiente di un nuovo OGM, sui Regolamenti 1829 e 1830/2003/CE, che regolano l’autorizzazione e l’etichettatura/tracciabilità degli alimenti e dei mangimi (food&feed) costituiti o derivati da OGM, e sulla Raccomandazione 556/2003, che indica le linee guida sulla coesistenza tra colture OGM e convenzionali, cui le norme nazionali e regionali dovrebbero allinearsi.
L’Italia ha recepito la Direttiva 2001/18/CE attraverso il decreto legislativo 224/2003.
Le tecniche che possono originare un organismo geneticamente modificato, secondo la definizione di OGM data dalla Direttiva 2001/18/CE, sono:
1.  tecniche di ricombinazione del materiale genetico, che comportano la formazione di nuove combinazioni mediante l’utilizzo di un vettore di molecole di DNA, RNA o loro derivati, nonché il loro inserimento in un organismo ospite nel quale non compaiono per natura, ma possono replicarsi in maniera continua;
2.  tecniche che prevedono l’introduzione diretta, in un organismo, di materiale ereditabile preparato al suo esterno, tra cui la macroiniezione e il microincapsulamento;
3.  fusione cellulare (inclusa la fusione di protoplasti) o tecniche di ibridazione per la costruzione di cellule vive, che presentano nuove combinazioni di materiale genetico ereditabile, mediante la fusione di due o più cellule, utilizzando metodi non naturali.
Sono esclusi dalla definizione gli organismi ottenuti per mutagenesi o fusione cellulare di cellule vegetali di organismi che possono scambiare materiale genetico anche con metodi di riproduzione tradizionali, a condizione che non comportino l’impiego di molecole di acido nucleico ricombinante.

Approfondimenti
Principi di equivalenza sostanziale e di precauzione
Il principio di equivalenza sostanziale e il principio di precauzione sono principi importanti del diritto internazionale, applicati anche alla valutazione ambientale e alla sicurezza alimentare degli organismi geneticamente modificati.
Il concetto di equivalenza sostanziale (ES) fu enunciato nel 1991 dall’OCSE (Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico) e rielaborato nel 1996 congiuntamente dalla FAO (Organizzazione per l’Alimentazione e l’Agricoltura) e dall’OMS (Organizzazione mondiale della sanità), cne assieme an unione Europea si sono accordate sull’adozione del principio della “sostanziale equivalenza’’, considerandolo come l'approccio più pratico per la valutazione della sicurezza degli alimenti e degli ingredienti alimentari OGM.
L’equivalenza sostanziale viene stabilita quando le caratteristiche analizzate per l’organismo geneticamente modificato, o per lo specifico alimento da esso derivato, sono equivalenti alle stesse caratteristiche dell’organismo di paragone.
L’alimento viene valutato così come è consumato e non solo in relazione al suo processo di produzione perché le sue proprietà e la sicurezza complessiva devono essere stabilite allo stesso modo degli alimenti prodotti usando i metodi convenzionali. La legislazione dell’Unione Europea richiede che i prodotti OGM siano sottoposti a una rigorosa valutazione che comprende una lista dettagliata di parametri e caratteristiche da tenere in considerazione, tra cui la caratterizzazione molecolare della modificazione genetica, la definizione agronomica e le valutazioni nutrizionali e tossicologiche. Se la sicurezza del nuovo prodotto è paragonabile (sostanzialmente equivalente) alla sua controparte convenzionale, allora il livello di “rischio” è equiparabile a quello degli altri alimenti. Se, invece, il prodotto OGM presenta nuove peculiarità o caratteristiche che lo rendono non più sostanzialmente equivalente (come un livello più alto di una vitamina), allora viene richiesta un’ulteriore valutazione che si concentra sugli effetti che la nuova caratteristica introdotta potrebbe avere sulla sicurezza del nuovo alimento.
Il principio di precauzione, o principio precauzionale, si basa sull’intuitivo concetto che “prevenire è meglio che curare” e che la “prudenza non è mai troppa”. Esso ha lo scopo di garantire un alto livello di protezione dell’ambiente e della salute umana, animale o vegetale, anche quando i dati scientifici non consentano una valutazione completa del rischio. Per questo motivo il principio di precauzione si applica non tanto a pericoli già identificati, ma a pericoli potenziali, di cui non si ha ancora conoscenza certa. Esso fu adottato per la prima volta dalla Conferenza di Rio de Janeiro sull’Ambiente (1992) e poi accettato dall’Unione Europea nell’articolo 191 del trattato sul suo funzionamento.
È stato inoltre riconosciuto da varie convenzioni internazionali e figura in special modo nell’Accordo sulle misure sanitarie e fitosanitarie (SPS) concluso nel quadro dell’Organizzazione mondiale del commercio (OMC). Infatti il ricorso al “principio” consente di ritirare dal mercato e di impedire la distribuzione dei prodotti che possano essere pericolosi e di fermare per prudenza qualsiasi attività che possa far male alla salute o aH’ambiente, anche se non ci sono prove scientifiche dei suoi effetti negativi. Negli ultimi anni il principio è stato invocato per far fronte ai presunti rischi per l’ambiente e la salute umana che deriverebbero dalla coltivazione, produzione e commercializzazione in ambito agroalimentare di animali, piante e sementi transgeniche, ottenute cioè con tecniche di DNA ricombinante.


Loghi delle principali organizzazioni mondiali che sovraintendono ai principi generali di equivalenza e precauzione (a) OCSE/OECD; (b) FAO; (c) OMS; (d) OMC/WTO.

2 Animali transgenici

Neppure dieci anni dopo la nascita del supertopo (1982), nella sola Gran Bretagna esistevano già circa 60.000 animali transgenici da laboratorio, ovvero animali portatori di geni alterati grazie alle tecniche dell’ingegneria genetica. Mucche, maiali, pecore e conigli avevano affiancato i topi entrando a far parte degli animali transgenici, anche se spesso con risultati variabili o indesiderati, comunque diversi e con problemi nuovi, non solo tecnici, rispetto al topo.
Nei mammiferi più grossi, infatti, accade che un solo ovodta microiniettato su 200, ad esempio, abbia capacità di sviluppare una progenie transgenica.
Per essere considerato transgenico in senso stretto, l’animale deve contenere il gene “nuovo in tutte le sue cellule e ciò può accadere solo se il transgene è inserito in una cellula embrionale. In questo caso, infatti, se il gene si integra nel genoma del ricevente, verrà replicato a ogni divisione cellulare e pertanto tutte le cellule lo erediteranno. L’inserzione di geni nelle cellule animali avviene per trasferimento di geni con vettori (retrovirus) come in altre tecniche di ingegneria genetica oppure per microiniezione di DNA nei nuclei delle cellule uovo già fecondate, così come hanno tentato alcuni ricercatori.
Una tecnica per produrre animali transgenici, ad esempio, è la seguente: da un maiale donatore si estraggono le cellule uovo fecondate e in esse con una pipetta di vetro molto sottile si inietta il gene capace di produrre una proteina umana. Le cellule fecondate vengono impiantate in una madre surrogata e, dopo quattro mesi di gestazione, una delle femmine nate porta il DNA estraneo nelle sue cellule.


I maiali transgenici possono essere allevati per produrre proteine umane nel latte, per xenotrapianti oppure per migliorare la qualità delle loro carni
Un’altra tecnica utilizza le cellule staminali embrionali {Embiyonic Stem cellsr, ES cells). Le ES cells sono la parte della blastocisti di mammifero che darà luogo all’embrione ed essendo pluripotenti, possono dare origine a tutti i tessuti dell'organismo.
Le ES cells rimangono pluripotenti anche quando sono modificate inserendo DNA nel loro genoma dopo aver alterato la permeabilità della membrana per trasfezione, cioè mediante sostanze chimiche, o per elettroporazione mediante una scarica elettrica controllata.
Le ES cells modificate vengono poi reinserite in una blastocisti ospite tramite microiniezione. C’è una differenza fondamentale fra le due tecniche che fanno uso di una cellula germinale o delle cellule ES. In quest’ultimo caso l'animale possiede il transgene solo in alcuni tessuti e viene detto chimera.


Primi stadi di sviluppo di uno zigote in vitro.



Una stessa cellula staminale embrionale può dare origine a cellule pancreatiche, cellule della pelle, cellule nervose, cellule muscolari.





Inserimento del DNA nella cellula per elettroporazione
Per poter trasmettere il gene alle generazioni future è necessario che le chimere lo abbiano incorporato nella linea germinale.
Queste tecniche possono essere utilizzate per produrre animali d’allevamento mutati geneticamente e a loro volta utilizzati per gli scopi più diversi.
Vediamoli rapidamente senza dimenticare che i problemi sono vari: ad esempio, maiali transgenici si sono ammalati presto di dermatiti, ulcere allo stomaco, problemi cardiaci.

Schematizzazione del percorso completo per l’ottenimento di organismi transgenici e chimere: (a) procedura per l’ottenimento delle ES portatrici del gene modificato; (b) le cellule transgeniche vengono integrate neFembrione; (c) gli embrioni vengono collocati nell’utero per generare la progenie chimera; (d) l’individuo chimera viene incrociato con un individuo normale per ottenere un eterozigote transgenico ; (e) nella progenie derivata dall’incrocio di due eterozigoti il gene modificato è geneticamente fissato nell’individuo omozigote.



Tecniche per la produzione di animali transgenici (a) e chimerici (b).
Il miglioramento della qualità e quantità degli alimenti rappresenta un obiettivo perseguito allo scopo di produrre, in linea con i princìpi di una sana alimentazione, carne più magra.
Ad esempio, è stato iniettato in ovociti di maiale l’ormone della crescita, in maniera che fosse inferiore la quantità di grasso sottocutaneo e superiore la taglia.
Tentativi analoghi sono stati fatti per migliorare la qualità e la quantità del latte o delle uova. Potrebbe non essere esclusa la possibilità di disporre di latte umanizzato grazie a mucche o pecore capaci di produrre latte con le caratteristiche del latte umano per nutrire senza problemi non i loro vitellini, mai neonati dell’uomo.


Schematizzazione della possibile produzione di latte di pecora umanizzato.

Aumentare la resistenza alle malattie o aumentarne la taglia è un ulteriore scopo perseguito per rendere le specie animali meno sensibili alle malattie parassitane.
È un problema importante per i Paesi in via di sviluppo dove milioni di capi, fondamentali nell’economia di quelle zone, muoiono per tripanosomiasi, una malattia parassitaha indotta dalla puntura della mosca tsetse. Bovini, suini, ovini e addirittura pesci di taglia più grande possono essere ottenuti introducendo il gene che codifica l’ormone della crescita, anche per tentare di risolvere il problema dello squilibrio alimentare. Pecore da tosare “a strappo potrebbero essere pensate modificando geneticamente la produzione di vello.


Il problema dell’alimentazione sussiste sia nei Paesi industrializzati (eccesso di alimentazione) sia in quelli del Terzo Mondo (sottoalimentazione). Gli organismi transgenici, animali o piante, possono aiutare a risolverlo.

Nella produzione di farmaci si posso usare animali come bioreattori, che secernono nel latte proteine con effetto farmacologico, quali la proteina C, importante anticoagulante del sangue, per la terapia delle trombosi, fattori Vili e IX della coagulazione per la terapia dell’emofilia, emoglobina umana come sostituto del plasma umano nelle trasfusioni.
Si possono poi produrre modelli di patologie umane: avendo a disposizione animali transgenici con patologie simili alle malattie ereditarie umane o alle neoplasie, è più semplice condurre la ricerca e svolgere sperimentazioni più vicine alla realtà.
L’oncotopo, brevetto della Università di Harvard, contiene nel suo patrimonio un gene tumorale utile per studiare le patologie del tumore della mammella. Sono già disponibili animali transgenici per lo studio di malattie come il diabete, l’ipertensione, l’artrite, la sclerosi multipla o malattie genetiche come la distrofìa muscolare.
Con potenziali donatori d’organo o trapianto di tessuti umanizzati è possibile ridurre l’incidenza di rigetto che fa seguito allo sviluppo nell’organismo di anticorpi contro le proteine estranee dei tessuti trapiantati provenienti da altra specie animale.
Ad esempio, sono disponibili suini transgenici per il trapianto temporaneo di cuore o di rene in attesa della disponibilità del donatore umano.
La paura dei ricercatori circa la pratica degli xenotrapianti è che malattie simili all’encefalopatia spongiforme bovina possano saltare le barriere tra specie e trasmettersi dai maiali all’uomo o che virus dormienti e innocui per l’animale vengano trasferiti dal donatore al ricevente umano e che nel giro di mesi o anni riprendano la loro attività, infettando non solo il ricevente dell’organo, ma l’intera popolazione.
Ad esempio, si può temere il ritorno di una pandemia violenta come la famosa influenza del 1918 denominata “Spagnola" considerando che l’insorgere di tali infezioni è facilitato poiché il virus dell’influenza, generalmente innocuo, utilizza animali ospiti (come maiali e uccelli) per mutare il suo genoma e diventare più virulento e pericoloso anche per l’uomo. Quanto appena scritto, unitamente al fatto che il sistema immunitario dei pazienti che hanno appena subito un trapianto è quasi azzerato e quindi non pronto a respingere l’infezione, mantiene alto il rischio di insorgenza di nuove infezioni virali che possono causare problemi sanitari a livello generalizzato.

BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE
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