biotecnologìa

Definizione

sf. [da bio-+tecnologia]. L'utilizzo di organismi viventi, quali per esempio batteri, muffe, lieviti, allo scopo di produrre quantità commerciali di prodotti utili all'uomo oppure di migliorare le caratteristiche di piante e animali con tecniche appartenenti a varie scienze di base: microbiologia, chimica, biochimica, genetica e immunologia.

Cenni storici

La data di nascita della biotecnologia può essere fatta risalire al 1857, quando Louis Pasteur ha descritto i meccanismi alla base di lievitazione e fermentazione. Altre date storiche sono state il 1878, con la scoperta degli enzimi della lievitazione, e il 1929, con il riconoscimento degli enzimi come proteine. Ulteriori passi in avanti sono stati le ricerche sull'ereditarietà condotte dal monaco Gregor Mendel (1856-1866), la dimostrazione del processo di trasformazione batterica (1928) e, finalmente, la scoperta della struttura del codice genetico a opera di James Watson e Francis Crick (1953). Un lungo cammino nel quale è stato preparato il terreno per quella che costituisce la spinta decisiva allo sviluppo della biotecnologia: la messa a punto, nel 1973, della tecnica del DNA ricombinante, che ha aperto la via all'ingegneria genetica. Da allora la biotecnologia è entrata in una nuova fase di sviluppo, quella della cosiddetta biotecnologia innovativa, con risultati nel campo della farmacologia e della medicina, dell'agricoltura e dell'alimentazione. § Nel campo dell'ingegneria tissutale la biotecnologia ha fatto enormi progressi: le cellule epitelitali, coltivate sopra un supporto artificiale biocompatibile, come l'acido ialuronico, e poi stimolate con opportuni fattori di crescita, si riproducono in fretta permettendo trapianti di pelle simil-umana. In microbiologia industriale è possibile la produzione, in microrganismi, di proteine tipiche di altri organismi ma in quantità controllata e modificate nella loro struttura per elevare il loro valore funzionale. Sviluppi innovativi riguardano anche i processi di fermentazione, di bioconversione e di biodegradazione per lo smaltimento dei rifiuti urbani e industriali, sempre mediante l'impiego di microrganismi specifici. In agricoltura, grazie alle nuove biotecnologie, si è migliorata la produzione di specie vegetali resistenti a patogeni e a erbicidi, in grado di utilizzare l'azoto atmosferico, capaci di produrre semi a elevato contenuto proteico e di migliore qualità, resistenti a condizioni chimiche e climatiche sfavorevoli. Nel settore dei bioinsetticidi, i prodotti chimici tradizionali ma fortemente inquinanti e dannosi per l'uomo e per gli animali sono stati sostituiti dall'impiego sia di nuove sostanze prodotte da microrganismi, sia da microrganismi biologicamente manipolati e dotati di attività insetticida, per proteggere le colture vegetali dai parassiti (batteri, funghi, virus). In medicina, anche la biodiagnostica ha beneficiato delle nuove biotecnologie, in particolare per la produzione e l'uso ormai esteso degli anticorpi monoclonali. Questi vengono infatti impiegati per saggio in vitro e in vivo di proteine, ormoni, farmaci, antigeni virali, batterici e associati a neoplasie, oltre che per la localizzazione di tumori e metastasi anche di piccole dimensioni. Gli anticorpi monoclonali sono stati impiegati sperimentalmente in terapia oncologica, per veicolare tossine e chemioterapici selettivamente, alle sole cellule tumorali. Anche la terapia genica ha tratto vantaggio dalle nuove biotecnologie. Sono ora possibili, infatti, l'inserimento in un organismo di uno specifico gene, in modo da ripristinare una funzione eventualmente alterata originariamente o totalmente mancante dalla nascita; l'uso di animali come “bioreattori”, vale a dire la realizzazione di animali transgenici capaci di produrre sostanze farmacologicamente attive che l'animale non produce in modo naturale; lo sviluppo dei vaccini non più basato sull'intero microrganismo (ucciso o indebolito) ma soltanto nelle sue componenti genetiche non infettive, in grado di scatenare ugualmente la reazione immunitaria da parte dell'organismo. Lo sviluppo della biotecnologia ha permesso infine di migliorare le tecniche di fecondazione e di crescita in vitro degli embrioni e il loro successivo reimpianto in utero.

Tecniche

Le varie tecniche utilizzate in biotecnologia sono: A) DNA ricombinante. Consiste nell'estrarre il DNA dalla cellula di un organismo, isolarne i geni che interessano e inserirli, con o senza modificazioni, all'interno di cellule di organismi diversi. In questo modo è possibile superare le naturali barriere biologiche tra specie diverse, modificando artificialmente il corredo genetico con l'inserimento di DNA estraneo. B) Chimica combinatoria. Consiste in un insieme di tecniche che, ancorando su una superficie numerose alternative molecolari, permette di ottenere in parallelo molte reazioni chimiche. In questo modo una stessa sostanza può essere fatta reagire con le diverse molecole. Ciò permette di identificare un particolare composto all'interno di una vasto insieme di prodotti. C) Tecnologia antisenso. È un'applicazione che permette di agire sugli acidi nucleici allo scopo di inibire la fabbricazione di proteine. Inserendo nelle cellule molecole di acido ribonucleico (RNA) o filamenti di DNA antisenso si interrompe la sequenza molecolare grazie alla quale un determinato gene si esprime in forma di proteina. Questa tecnica si sta rivelando promettente nella terapia di malattie genetiche, malattie infettive e tumori. D) Ingegneria genetica. insieme di tecniche che consentono di modificare le caratteristiche degli organismi. Esse si prefiggono di staccare un gene dal genoma di un organismo e di inserirlo in quello di un altro al fine per esempio di ottenere batteri capaci di produrre farmaci, di modificare virus e batteri e renderli capaci di trasferire a piante e a animali geni estranei che ne migliorino le caratteristiche, di far produrre ad animali organi “umanizzati” trapiantabili nell'uomo, di inserire nelle cellule umane geni “sani” al posto di quelli difettosi responsabili di ca. 4 mila malattie ereditarie (terapia genica). E) Clonazione: tecnica che consente di creare una copia identica di un organismo. Per clonare un animale, per esempio, si preleva dai tessuti del suo corpo una singola cellula somatica da cui si estrae il nucleo con tutto il materiale genetico che contiene. Lo si trasferisce poi a una cellula uovo, privata del nucleo originale, proveniente da una femmina della stessa specie. L'uovo così modificato viene impiantato nell'utero della femmina che partorirà un clone, vale a dire una copia fedelissima dell'animale di partenza. F) Biolistica: metodica che prende spunto dalla fusione delle parole “biologia” e “balistica”, in quanto bombarda le cellule delle piante da modificare, in genere monocotiledoni come il grano, il mais e il riso, con minuscole biglie d'oro ricoperte dai geni che si vuole inserire. Le cellule sopravvissute che sono riuscite ad acquisire i nuovi geni daranno origine a piantine transgeniche.

Le applicazioni in agricoltura

L'applicazione della biotecnologia in agricoltura potrebbe consentire un aumento della produzione senza dover ricorrere a un impiego massiccio di terreni, di forza lavoro e di capitali, nonché diminuire o abolire l'uso di concimi chimici, diserbanti e antiparassitari che tanto hanno danneggiato l'ambiente fino a oggi. Tra i metodi più comuni per introdurre nelle cellule vegetali geni provenienti da altri organismi o sintetizzati artificialmente c'è l'uso del batterio Agrobacterium Tumefaciens, che normalmente veicola un plasmide contenente un gene in grado di indurre i tumori nelle piante: tale gene viene sostituito con quello recante il carattere desiderato, il plasmide viene poi reinserito nel batterio che infetta la cellula vegetale e vi trasferisce il DNA. Un'alternativa a questo metodo consiste nello “sparare” frammenti di DNA avvolti in minuscole capsule metalliche direttamente all'interno delle cellule vegetali. In entrambi i casi la cellula vegetale incorpora il DNA nel proprio genoma, e poi genera piante intere, portatrici del nuovo gene e quindi del nuovo carattere. Le principali caratteristiche che possono essere acquisite dalle piante mediante l'inserimento di un gene estraneo e interessanti da un punto di vista commerciale sono la resistenza ad agenti patogeni, la resistenza alle sostanze erbicide e la resistenza agli stress ambientali. La resistenza a virus e batteri, che possono far ammalare o addirittura morire la pianta, e che causano notevoli perdite all'agricoltura, è una caratteristica estremamente importante. Infatti i metodi tradizionali di prevenzione e cura, quali la rotazione delle coltivazioni e l'uso di sostanze chimiche in grado di limitare l'infezione da parte di tali agenti patogeni, sono risultati solo parzialmente efficaci e, a volte, dannosi per l'ambiente. Le prime piante geneticamente modificate in grado di resistere alle infezioni virali sono state ottenute intorno al 1986, grazie all'inserimento del gene responsabile della sintesi della proteina che forma l'involucro virale stesso: le piante provviste di tale proteina, infatti, mostravano la resistenza per il virus avvolto in quella stessa proteina. Ciò significa, chiaramente, che non si può conferire la resistenza contro qualsiasi tipo di virus, ma verso un virus specifico, possibilmente quello più specifico e dannoso per ogni particolare tipo di pianta. L'ingegneria genetica è riuscita anche a conferire ad alcuni organismi vegetali la resistenza agli insetti utilizzando un particolare gene prelevato dal batterio Bacillus thuringiensis. Questo batterio era già utilizzato come insetticida biologico, perché in grado di inibire la funzionalità dell'apparato digerente degli insetti, e quindi di avvelenarli. La sua capacità è data dalla presenza di un gene che codifica per una tossina: inserire tale gene nei cromosomi vegetali significa dare direttamente alla pianta la possibilità di uccidere i propri parassiti. Inoltre è stato dimostrato che questa tossina non è dannosa né per la pianta che la produce né per chi se ne nutre, in quanto agisce solo contro alcune proteine tipiche degli insetti. Grazie a queste tecniche è stato possibile generare mais resistente alla piralide, una vorace farfallina che allo stadio di larva divora il fusto della pianta. Il mais così modificato è stato sottoposto ad attenta analisi prima di venire immesso sul mercato e l'Italia, pur avendone autorizzata l'importazione già all'inizio del 1997, ne ha concesso la coltivazione solo successivamente. Anche le condizioni climatiche hanno un'importanza fondamentale sia sulla quantità che sulla qualità dei prodotti dell'agricoltura, e l'interesse scientifico si è rivolto alle basi biochimiche e genetiche della risposta delle piante agli stress ambientali quali il freddo, la siccità o la variazione di salinità. È stato così evidenziato che esistono dei sistemi comuni a molti tipi di vegetali legati all'espressione di pochi geni. Nel marzo del 1999 un gruppo di ricercatori giapponesi ha dimostrato che, sopprimendo l'attività di un singolo gene che viene normalmente attivato come risposta a uno stress ambientale, era possibile far resistere al freddo una pianta transgenica di Arabidopsis. Tale organismo presenta una crescita e una produzione del tutto paragonabili a quella delle piante non modificate, ma ha la capacità di resistere senz'acqua per due settimane, a concentrazioni saline elevate e a temperature inferiori a 0 °C per due giorni. È stata poi evidenziata la presenza di alcuni geni che conferiscono attivamente la resistenza agli stress ambientali, ed esperimenti di trasformazione genetica hanno reso possibile la nascita e lo sviluppo di piante che, avendo acquisito tali geni, risultano in grado di rispondere proteggendosi dalle condizioni avverse; le ricerche in questo campo sono ora indirizzate verso le piante di interesse agrario. § Le erbe infestanti sono un grave problema per le coltivazioni: la loro presenza può sottrarre acqua, sostanze nutritive e luce alle piante coltivate, riducendone a volte anche fortemente la produzione; inoltre, per essere separate durante il raccolto, le piante infestanti richiedono un maggior impegno sia lavorativo sia economico. Finora queste sono state combattute con i diserbanti: ogni diserbante utilizzato doveva essere diretto in modo specifico contro una particolare pianta infestante, per non danneggiare anche quella coltivata; la presenza di più piante infestanti nella stessa coltivazione, quindi, richiedeva l'uso di più erbicidi, con notevoli conseguenze sia economiche sia ambientali. L'ingegneria genetica ha permesso di conferire alle piante di interesse la resistenza agli erbicidi attraverso due meccanismi alternativi: o queste diventano in grado di inattivare tali sostanze, o presentano una forma modificata dell'enzima bersaglio degli erbicidi, divenuto a essi insensibile. Si possono pertanto utilizzare erbicidi meno specifici e a più grande raggio di azione per ottenere un'azione disinfestante del tutto efficace e completamente innocua per la coltivazione. Un esempio di tale tecnica è dato dalla soia resa geneticamente resistente al glifosato, il principio attivo di molti erbicidi che è in grado di inibire un enzima vitale per tutte le piante. La soia geneticamente modificata contiene un gene batterico che conferisce la resistenza a tale erbicida, ed è stata accuratamente analizzata prima di essere immessa sul mercato, per garantire che il cambiamento voluto non ne avesse generati altri, inattesi; che il cambiamento genetico fosse stabile, cioè ereditabile, e che il gene introdotto non potesse venire trasferito da un individuo a un altro secondo meccanismi non previsti.

Le ricerche in agricoltura

Analisi molecolari dettagliate hanno dimostrato che la modificazione genetica non genera ulteriori cambiamenti, soprattutto per quanto riguarda la sintesi di nuovi allergeni, che è stabile attraverso varie generazioni e che non viene trasferita in altri organismi. Inoltre la sostanza prodotta presenta delle caratteristiche che la rendono estremamente interessante: è infatti innocua per gli animali e si decompone rapidamente in residui non inquinanti. Grandi sforzi dell'ingegneria genetica sono anche orientati verso il miglioramento delle proprietà nutritive dei vegetali e per ottenere la produzione di sostanze di interesse industriale. Uno dei risultati più studiati e discussi è stato quello del pomodoro Flavr Savr che, grazie alla presenza di un gene non funzionante, marcisce in tempi molto più lenti del pomodoro naturale. Questo permette il mantenimento del prodotto a lungo, facilitandone anche la distribuzione. Poiché sperimentalmente era stato necessario l'inserimento, insieme al gene non funzionante, di un gene responsabile della resistenza a un particolare antibiotico, tale prodotto non ha ottenuto un grande consenso: si temeva infatti che la resistenza all'antibiotico potesse passare dal pomodoro ad alcuni batteri, se non addirittura al consumatore, con evidenti dannose conseguenze. In seguito tale paura è stata allontanata, poiché è stato dimostrato che il gene per la resistenza all'antibiotico subisce una rapida degradazione. Altri risultati delle biotecnologie applicate all'agricoltura hanno portato alla produzione di uva senza semi, fragole resistenti al freddo, meloni in grado di utilizzare acqua marina per sopravvivere, patate che non assorbono l'olio di frittura. Un'interessante applicazione ha come scopo quello di far accumulare anche nelle foglie dei legumi, ricchi di componenti essenziali dell'alimentazione e usati in tutti i Paesi, le importantissime proteine che normalmente vengono a depositarsi solo nei semi. Le biotecnologie applicate all'agricoltura rappresentano una notevole fonte di guadagno, e pertanto hanno richiamato l'attenzione di molte aziende private che basano la loro attività sullo sviluppo applicativo di tali ricerche.

Benefici e rischi dell'uso delle biotecnologie in agricoltura

Grazie a un diverso intervento dello Stato e dei finanziatori privati tali applicazioni hanno trovato maggior spazio negli Stati Uniti, che già vedono l'88% dei loro terreni agricoli utilizzabili per la coltivazione di piante geneticamente modificate, mentre in Europa si riscontra un notevole ritardo dovuto sia a una diversa distribuzione dei finanziamenti, sia alla lenta predisposizione, da parte della Comunità Europea, di un quadro normativo per il settore delle biotecnologie. Per quanto riguarda il settore agroalimentare il regolamento C.E., entrato in vigore nel 1997, pone particolare attenzione alla salute del cittadino in relazione all'immissione nell'ambiente di organismi geneticamente modificati, che deve essere sempre notificata al Ministero della Sanità. Questo può negare l'autorizzazione all'immissione, ma non può autorizzarla senza aver prima sentito il parere di tutti gli Stati membri dell'Unione Europea: se non viene espressa alcuna obiezione, il prodotto può venire immesso sul mercato. Per quanto riguarda l'etichettatura indicante la presenza di materie prime geneticamente modificate in un prodotto, due sono le posizioni: da una parte le industrie americane non vorrebbero che queste fossero indicate, in quanto suggerirebbero la presenza di sostanze diverse da quelle naturali, pericolose o di bassa qualità; dall'altra l'Europa e le associazioni dei consumatori propongono etichette per tutti gli alimenti geneticamente modificati, soprattutto nel caso in cui vi siano differenze nutrizionali rispetto al prodotto naturale. Un fattore che ha certamente contribuito a una notevole espansione degli alimenti biotecnologici negli Stati Uniti è stato anche quello dovuto all'atteggiamento dei consumatori, che hanno espresso parere largamente favorevole. In Europa, invece, i consumatori si sono mostrati più diffidenti. Le maggiori preoccupazioni circa i rischi del consumo di alimenti geneticamente modificati sono legate all'ambiente e alla salute. I sostenitori delle biotecnologie, i ricercatori e gli esperti, affermano che gli eventuali fattori di rischio possono essere facilmente individuati e limitati, se non addirittura eliminati. Al contrario gli oppositori sostengono che i prodotti geneticamente modificati presentino vantaggi inferiori alle aspettative, e non considerano né trascurabile né prevedibile il rischio legato all'immissione di nuovi individui nell'ambiente. Essi sostengono che i pericoli che la manipolazione genetica comporta per la salute umana sono ancora in gran parte sconosciuti, e che il consumatore potrebbe poi alimentarsi con sostanze nuove, normalmente assenti nella dieta, a cui potrebbe mostrare intolleranza o allergia, e che potrebbero alterare i processi metabolici dando vita a sostanze tossiche per l'uomo. Ipotizzano poi la possibilità di una riduzione del potere nutritivo degli alimenti, per esempio quando si prolunga la durata di un prodotto. A tutela di queste possibilità in Italia è stata definita la “sostanziale equivalenza”: una commissione presso l'Istituto Superiore di Sanità valuta l'equivalenza dal punto di vista della composizione e del valore nutrizionale degli alimenti geneticamente modificati rispetto a quelli tradizionali e approva la loro immissione sul mercato solo nel caso in cui presentino sostanzialmente le stesse caratteristiche alimentari del loro corrispettivo non modificato geneticamente. In sostanza tale valutazione si avvale di una procedura basata su analisi chimiche e biologiche che quantificano le sostanze nutritive, allergeniche e potenzialmente tossiche dell'alimento preso in esame, a confronto con quello di origine. I principali fattori di rischio ambientale, invece, consistono nella possibilità che gli organismi geneticamente modificati si inseriscano in un ecosistema, alterandolo. Le caratteristiche acquisite dai vegetali geneticamente modificati, quali la resistenza ai parassiti, alle condizioni climatiche avverse o agli erbicidi, li rende effettivamente più adatti all'ambiente dei loro corrispettivi naturali, e per questo potenzialmente invasivi. Pertanto vengono richiesti anche accurati studi sull'impatto ambientale, sebbene questo presenti maggiori difficoltà, soprattutto legate alla considerazione che, una volta immesso in un ambiente favorevole, qualsiasi organismo si riproduce e lo conquista rapidamente, e la sua successiva rimozione potrebbe essere difficile se non impossibile. Nella categoria degli alimenti biotecnologici vengono anche inseriti alcuni amminoacidi, le unità costituenti le proteine, che naturalmente vengono prodotti da alcuni ceppi batterici. Per esempio è stato realizzato un nuovo ceppo batterico di Bacillus amyloliquefaciens, geneticamente modificato, in grado di produrre l'amminoacido triptofano in modo più efficiente rispetto ai batteri naturali; questo e altri amminoacidi possono venire utilizzati sia come integratori alimentari per l'uomo, sia per l'arricchimento nutrizionale degli animali d'allevamento, che necessitano di una dieta ricca di amminoacidi essenziali o altrimenti limitanti . (manipolazione).

Le applicazioni biotecnologiche in farmacologia

Con le biotecnologie si possono produrre farmaci importanti. Tra i primi farmaci biotecnologici si ricorda l'insulina umana (1979), seguita dall'ormone della crescita (1985), dall'interferone e dalle proteine del sangue (1987-1989), come l'eritropoietina (EPO), la molecola che controlla la produzione dei globuli rossi. È stato inoltre ottenuto in laboratorio il fattore VIII della coagulazione, risolvendo così il problema di emoderivati sicuri per la cura dell'emofilia. Sono stati messi a punto anche modulatori del sistema immunitario (1986-91). Grazie alle biotecnologie è stato possibile inoltre riuscire ad isolare il virus responsabile dell'AIDS e di mettere a punto il primo farmaco utilizzato contro la malattia, l'AZT. Altri farmaci sono stati messi a punto con le biotecnologie, come per esempio gli interferoni-alfa-2a, 2b e n3, l'OKT3 anti CD3 contro il rigetto dei trapianti, il tPA per le malattie cardiovascolari, il GM-CSF attivo sui trapiantati di midollo, il G-CSF per la chemioterapia tumorale, il fattore IX antitumorale, la pulmozina per la fibrosi cistica e la cedrasi per la malattia di Gaucher. I farmaci biotecnologici, essendo sintetizzati da batteri su istruzioni di un gene estratto dal genoma umano, sono più specifici, costano meno, perchè i batteri si riproducono velocemente e sono più puri, hanno cioè una probabilità molto più bassa dei farmaci tradizionali di trasmettere infezioni da virus.

Oggi lo strumento principale di cui si avvalgono le biotecnologie è l’ingegneria genetica. Esistono  almeno una decina branche delle biotecnologie, la maggior parte delle quali è abitualmente identificata nel linguaggio internazionale con uno dei colori dell’arcobaleno. Red: è il settore delle biotecnologie che si occupa dei processi biomedici e farmaceutici per l’individuazione di principi attivi e vaccini; Green: si dedica ai processi agricoli (ad es. per la realizzazione di OGM); Yellow: si interessa alla produzione di alimenti particolari (gluten free, light, senza lattosio); White: si concentra sulle biotecnologie industriali; Grey: si dedica a tutela e salvaguardia dell’ambiente; Blue: è dedicata a studi su organismi marini; Gold: sviluppa la bioinformatica e le nanotecnologie; Black: è impegnata nello studio di armi batteriologiche; Violet: si incentra sui temi etici legati alle biotecnologie; Orange: opera per la divulgazione degli studi e delle scoperte biotecnologiche al grande pubblico.

Bibliografia
L. Alberghina, E. Cernia, Biotecnologie e bioindustria, Torino, 1996, C. Serra, Le biotecnologie, Roma, 1998, A. Bazzi, P. Vezzoni, Biotecnologie della vita quotidiana, Bari, 2003; G. Vinci, D. Restuccia, F. Pirro, Innovazione e Competitività: Biotecnologie e Sviluppo Sostenibile, Roma, 2010.