UNA VISIONE D’INSIEME SULLE BIOTECNOLOGIE
Per biotecnologie si intende l’insieme delle tecniche che utilizzano organismi viventi per lo sviluppo di processi
o prodotti utili.
Gli organismi viventi sono da sempre alla base del nostro sostentamento: ci forniscono cibo, protezione,
vestiario e combustibili. L’uso che ne facciamo prevede spesso una loro modificazione. Se diamo al
termine biotecnologia il significato più generale, sono gli allevatori e gli agricoltori dell’età della pietra
che oltre 10 000 anni fa hanno dato inizio alla rivoluzione biotecnologica, cominciando ad
addomesticare animali e piante. I nostri antenati hanno poi esteso l’uso degli organismi viventi ai
microrganismi circa 8000 anni fa, iniziando a sfruttare batteri, lieviti e funghi per convertire le uve in
vino, il latte in yogurt e formaggio e il frumento in pane lievitato grazie al processo della fermentazione
microbica. Ad attestare queste invenzioni sono i ritrovamenti effettuati in Medio Oriente ed Egitto.
L’uso dei microrganismi si è poi esteso ben oltre le fermentazioni. Fin dal diciannovesimo secolo i
contadini fanno uso di microrganismi per controllare gli insetti che devastano le coltivazioni e a partire
dagli anni Cinquanta del secolo scorso, invece, tutti gli antibiotici e le vitamine aggiunte agli alimenti
derivano da microrganismi. Alcuni vaccini si avvalgono addirittura dell’uso di virus o batteri vivi privati
della capacità di infettare l’organismo che li ospita. A questo punto verrebbe da chiedersi: se l’approccio
di tipo biotecnologico risale a oltre 10 000 anni, perché si parla in tempi moderni di «rivoluzione
biotecnologica»? La conoscenza scientifica attuale ci porta a distinguere la moderna biotecnologia da
quella antica per una ragione: i nostri antenati agivano sugli organismi, selezionandoli in base ai
cambiamenti che comparivano per caso e procedendo quindi per tentativi ed errori. Nell’antichità non
c’era alcuna conoscenza dei meccanismi della genetica e delle ragioni per cui certi interventi avessero
successo e altri no. I progressi realizzati durante lo scorso secolo hanno condotto a una conoscenza
progressivamente più chiara e approfondita di tali meccanismi, rendendo possibili interventi mirati, a
livello molecolare, che modificano esclusivamente le parti interessate del genoma (vale a dire del
complesso delle informazioni genetiche di una cellula o di un organismo). Si tratta di tecniche più
potenti, che richiedono quindi una maggiore responsabilità nel loro utilizzo, ma indubbiamente si tratta
anche di tecniche più precise e controllate.
Biotecnologie classiche e nuove biotecnologie
Le biotecnologie sono di fatto una collezione di
tecniche diverse, le cui applicazioni spaziano
dall’industria farmaceutica a quella alimentare e
agricola; ecco perché sentiamo parlare di
«biotecnologie» al plurale. Alcune di queste
tecniche sono consolidate da decenni e considerate
ormai tradizionali, come quelle che consentono la
ricombinazione naturale. Essa non opera
attraverso mirate manipolazioni, ma sfrutta
processi come il crossing over, la fecondazione e la
ricombinazione batterica per ottenere un naturale
aumento della variabilità genetica, materia prima
per la selezione artificiale.
L’agricoltura e l’allevamento si basano su tecniche
di questo tipo fin dal 8500 a.C. circa, ma il processo
di ricombinazione naturale e di incrocio selettivo degli individui scelti per le loro caratteristiche è lento
e spesso inefficiente. Per migliaia di anni i nostri antenati hanno agito sapendo solo che la prole
tendenzialmente assomiglia ai genitori e, pur non capendone i meccanismi biologici, l’esperienza era
sufficiente per esempio a determinare le alterazioni genetiche nelle piante coltivate rispetto a quelle
selvatiche da cui provenivano. Molti ricercatori vedono l’ingegneria genetica (ovvero la manipolazione
mirata a livello molecolare dell’informazione genetica) come una semplice estensione dell’incrocio
selettivo: entrambe le tecniche servono infatti a unire materiale genetico proveniente da sorgenti
diverse per creare organismi con nuove caratteristiche. In realtà, le due tecniche presentano differenze
rilevanti.
Mentre nell’ingegneria genetica gli scienziati spostano da un organismo a un altro singoli geni di cui
conoscono la funzione, le tecniche di incrocio selettivo prevedono il trasferimento di interi gruppi di
geni dalle funzioni ignote. Il rischio di produrre organismi dalle caratteristiche inattese si è
progressivamente ridotto con il perfezionamento delle tecniche di manipolazioni genetica. Oltre a ciò,
le nuove tecniche consentono di aggirare l’ostacolo causato dal fatto che organismi di specie diverse
non producono prole fertile: a un qualunque organismo appartenga il gene interessato, esso può essere
trasferito in qualsiasi altro organismo, indipendentemente da quanto le due specie siano geneticamente
distanti. Sebbene l’intero processo sia più controllato dell’incrocio selettivo, le sue potenzialità sono tra
le ragioni per cui molti guardano con diffidenza all’ingegneria genetica.
LE TAPPE SALIENTI DELLO SVILUPPO DELLE BIOTECNOLOGIE INNOVATIVE
1973
1982
1983
1988
1997
2001
2012
I genetisti americani Cohen e Boyer danno vita all’era dell’ingegneria genetica quando
producono per la prima volta DNA ricombinante ovvero una molecola ottenuta
artificialmente dalla combinazione di materiale genetico di organismi differenti.
In particolare riuscirono a trasferire in un batterio Escherichia coli i geni per la resistenza a
due antibiotici diversi, ciascuno proveniente da ceppi batterici differenti.
Prima applicazione commerciale delle biotecnologie: la FDA (Food and Drug
Administration) americana approva l’immissione sul mercato dell’insulina umana,
prodotta con la tecnica del DNA ricombinante grazie ad una modificazione del patrimonio
genetico del batterio E. coli.
Realizzazione della prima pianta transgenica di tabacco;
Il biochimico Mullis scopre la PCR, Polymerase Chain Reaction, uno dei maggiori
strumenti della ricerca biotecnologica e dello sviluppo dei prodotti a livello
mondiale
Watson lancia la proposta del Progetto Genoma Umano il cui obiettivo è l’identificazione
della completa sequenza di basi del DNA umano.
Nascita di Dolly, il primo mammifero clonato, copia identica di un suo simile.
Viene completato il PGU
Viene pubblicato il primo articolo scientifico di due ricercatrici Jennifer Doudna ed
Emmanuelle Charpentier sull’uso della CRISPR, una vera e propria rivoluzione in ambito
biotecnologico. Oggi il portale scientifico Pubmed conta già migliaia di referenze
bibliografiche sull'argomento.
Le biotecnologie sono un insieme variegato di scienze applicate che si avvalgono di delle conoscenze
mutuate da diverse discipline, principalmente: biochimica, chimica, biologia molecolare, genetica,
microbiologia. I principali campi di applicazione possono essere ricondotti a 4 diverse categorie:
biotecnologie verdi: per applicazioni nel campo delle produzioni vegetali e zootecniche;
biotecnologie bianche: per applicazioni nel campo delle produzioni industriali;
biotecnologie rosse: per applicazioni nel campo della salute, per la diagnosi, la prevenzione e la
cura delle malattie umane e animali;
biotecnologie grigie: applicate alla salvaguardia dell'ambiente.
A partire dagli ultimi anni del secolo scorso, la commercializzazione dei prodotti biotecnologici è in
continua e rapida espansione. Ciò nonostante, diversi Paesi del mondo, Unione Europea compresa,
hanno leggi che ne regolano la diffusione o vietano espressamente che siano messi sul mercato. A
tutt’oggi, le biotecnologie hanno incontrato il consenso più generalizzato nella produzione di farmaci e
di vaccini, mentre la resistenza è massima nel campo dell’agricoltura.
BIOTECNOLOGIE BIANCHE
I progressi ottenuti in questo settore sono legati soprattutto all’industria
alimentare soprattutto a quella casearia, vinicola e birraria ormai consolidate nelle
quali vengono utilizzati i cosiddetti biocatalizzatori, ovvero organismi viventi o
loro enzimi in grado di svolgere la reazione desiderata senza alcun effetto dannoso
per il consumatore.
Le applicazioni industriali degli enzimi sono molte, per esempio l’uso di enzimi
efficienti all’interno dei detersivi ha permesso di abbassare la temperatura e le
tempistiche di utilizzo delle lavatrici, con un notevole risparmio in termini economici e di inquinamento.
Nei detergenti sono presenti enzimi degradativi delle proteine (proteasi) e dei grassi (lipasi) i quali
hanno anche un’azione meno aggressiva nei confronti dei tessuti, al contrario di alcune sostanze
chimiche utilizzate in passato.
Cellulasi
Proteasi
Amilasi
Lipasi
Ammorbidiscono e rischiarano i tessuti, eliminando la
sporcizia intrappolata nelle fibre
Rimuovono macchie di natura proteica
sangue, uova
Rimuovono le macchie di amido
patata, riso, crema pasticcera
Rimuovono le macchie grasse
olio, burro, rossetto
Nel settore tessile invece un’applicazione interessante è quella
dell’effetto “consumato” (stone wash) tipico del tessuto dei jeans,
ovvero il denim. In passato si utilizzava la pietra pomice al fine di
introdurre abrasioni sul tessuto o schiarirne il colore; oggi invece
enzimi chiamati cellulasi sono in grado di compiere la stessa
operazione in maniera più veloce e controllata, tanto da introdurre
una scala di tonalità a seconda della concentrazione di enzima
utilizzato.
Un altro grande settore di applicazione è quello alimentare, nel quale
gli enzimi vengono utilizzati per rendere il prodotto finale più appetibile, e a volte più
digeribile, al consumatore. Per esempio la lattasi rende il latte adatto al consumo anche per
gli individui intolleranti al lattosio.
Tutti questi enzimi vengono prodotti con la tecnica del DNA ricombinante di cui parleremo
nel dettaglio nell’ambito delle biotecnologie rosse.
BIOTECNOLOGIE ROSSE
Applicazioni delle biotecnologie in campo biomedico sono svariate:
prodotti naturali ad uso farmaceutico (es. penicillina)
biopolimeri (es. acido ialuronico)
terapie di sostituzione (es. insulina)
terapia genica
vaccini ricombinanti
settore diagnostico (malattie genetiche, scienze forensi, test di paternità)
ma in generale possono essere suddivise in due macro aree: terapia e diagnosi.
APPLICAZIONI TERAPEUTICHE
Le biotecnologie stanno offrendo un significativo contributo nel fornire sia versioni migliorate dei
trattamenti terapeutici attuali sia nuove cure.
Grazie alla tecnologia del DNA ricombinante è possibile ottenere colture batteriche che producano
composti che il corpo umano produce naturalmente come gli interferoni, che stimolano la risposta alle
infezioni virali.
Inoltre, molte malattie possono derivare da geni difettosi che portano alla mancanza totale o alla
produzione inadeguata di alcune delle sostanze, solitamente proteiche, prodotte dalle nostre cellule. In
passato, una volta identificata l’espressione difettosa o mancante di alcune proteine, si interveniva
fornendo al paziente quella stessa proteina, ricavandola da specie microbiche o animali, come nel caso
dell’insulina che veniva estratta dal pancreas di bovini e suini. Queste tecniche salvavita non erano prive
di difetti, a partire dal fatto che una proteina animale solitamente non è identica a quella prodotta dal
corpo umano, cosicché, in alcuni casi, tali proteine potevano indurre una risposta immunitaria una volta
iniettate. Esisteva poi il rischio che le molecole ottenute da sorgenti estranee fossero contaminate da
patogeni o sostanze nocive. Oggi, grazie all’utilizzo in laboratorio delle colture cellulari di colonie di
batteri geneticamente modificati con l’inserzione del gene interessato, la sintesi delle proteine umane
avviene in condizioni ben controllate; parliamo in questo caso di terapie di sostituzione.
Oltre alla semplice sostituzione di proteine mancanti o non funzionanti, con la terapia genica si può
agire direttamente sui geni inserendo nel paziente geni funzionali al posto di quelli difettosi.
Nonostante gli entusiasmi dei primi tempi, le straordinarie promesse della terapia genica sono stati
ridimensionati dal procedere delle ricerche. Esistono infatti enormi barriere tecniche da superare per
ottenere una sostituzione genica effettiva: innanzitutto è molto difficile fare in modo che un gene sano
si integri correttamente all’interno del genoma ripristinando le funzioni del gene difettoso.
Un’altra applicazione del DNA ricombinante consiste nella formulazione dei cosiddetti vaccini
ricombinanti: in colture di lievito (Saccharomyces cerevisiae) si inserisce il gene che codifica per la
proteina immunogena di un determinato microrganismo.
In questo caso, i batteri in coltura esprimono il gene producendo la molecola desiderata che viene poi
somministrata all’uomo per stimolare la risposta immunitaria (es. vaccino contro HBV).
Le colture cellulari batteriche sono indispensabili anche per produrre materiali biologici compatibili
con i tessuti umani, i biopolimeri. Per esempio, lo ialuronato è un polisaccaride formato da un
monomero derivato da molecole di zucchero, che si trova soprattutto nella matrice del tessuto
connettivo. Esso ha elasticità e viscosità simili a quelle delle materie plastiche e inoltre è solubile in
acqua; grazie a queste sue proprietà viene usato per trattare le artriti, prevenire cicatrizzazioni postintervento e anche come cosmetico all’interno di creme idratanti per la pelle.
