Applicazioni

Medicina e farmacologia

La maggior parte delle ricerche in biotecnologia è diretta alla diagnosi, terapia e prevenzione delle malattie dell’uomo. Sono infatti numerose le applicazioni biotecnologiche verso cui da anni si muovono le industrie farmaceutiche.

Le ricerche sono rivolte:

-         alla produzione di proteine e peptidi per scopi terapeutici: ormoni, prodotti del sangue, farmaci antinfettivi e antiumorali, immunomodulatori e vaccini;

-         allo sviluppo di reagenti e tecniche diagnostiche (anticorpi monoclonali, sonde molecolari a DNA, PCR) applicabili alle diverse malattie;

-         alla terapia genica.

Prima dello sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante, la maggior parte dei farmaci umani, di natura proteica, era disponibile in quantità molto limitate, sia per gli elevati costi di produzione sia perché il loro meccanismo d’azione non era ben caratterizzato. Inoltre, i prodotti ottenuti per estrazione dal sangue o da tessuti dell’uomo o di animali erano a rischio di trasmissione di malattie infettive da parte di microrganismi patogeni eventualmente presenti nei donatori. Con la tecnologia del DNA ricombinante questi inconvenienti vengono eliminati.

Ambiente

I microrganismi presenti virtualmente in ogni habitat naturale, rappresentano un sistema efficentissimo di demolizione delle scorie naturali. La biodegradazione è dunque un processo naturale.

Nel caso di composto non facilmente biodegradabili da parte di microrganismi presenti in natura, è possibile impiegare batteri geneticamente modificati. E’ possibile allestire in laboratorio nuove combinazioni di materiale ereditabile, ottenute mediante l’inserimento di piccole molecole di DNA, in un batterio ospite in cui tali molecole non avrebbero mai potuto essere trasferite in condizioni naturali. L’impiego di questi batteri GM implica la necessità di conoscere gli effetti causati all’ecosistema dopo il oro rilascio nell’ambiente. A questo gli scienziati hanno trovato rimedio inserendo uno speciale gene killer, che determina l’autodistruzione del batterio quando ha consumato il composto.

Da parecchi anni ormai le tecniche di biorisanamento hanno dimostrato di essere altamente efficienti e di avere una maggiore versatilità di applicazione rispetto a quel che si credeva. Ad esempio è stato allestito un specifico ceppo batterico “mangia petrolio”, portatore di un plasmidio catabolico ingegnerizzato, in modo che lo stesso batterio è in grado di realizzare tutte le vie metaboliche che consentono la degradazione totale del prodotto inquinante. Il petrolio contiene diversi tipi di idrocarburi, ma d’altra parte in natura ceppi diversi del batterio Pseudomonas putida sono in grado di degradare o l’uno o l’altro. Grazie alla tecnica del DNA ricombinante  i gene presenti sui diversi plasmidi sono stati assemblati in un unico plasmidio che è stato poi trasferito in una singola cellula, creando così un organismo in grado di degradare tutte le componenti principali del petrolio.

Le biotecnologie applicate alla salvaguardia ambientale consentono di disporre di sistemi diagnostici molto raffinati e sensibili che permettono di rilevare, in tempo reale, il grado di inquinamento di una determinata area. Le diverse tecniche diagnostiche, che si basano sull’impiego di anticorpi mono e policlonali, di enzimi e batteri e di sonde nucleotidiche, consentono di rilevare e quantizzare sia i contaminanti chimici (erbicidi, insetticidi, fungicidi) sia i contaminanti biologici (virus, batteri e funghi patogeni).

Grazie alle biotecnologie è possibile addirittura produrre la neve. I ceppi naturali di Pseudomonas syringae, che vivono sulle foglie delle piante, sono in grado di favorire il processo della trasformazione dell’acqua in cristalli di ghiaccio, grazie alla produzione di una specifica proteina che agisce sulle molecole di H₂O organizzandole appunto in cristalli. Questi batteri possono quindi venire sfruttati per la formazione di neve.

L’impiego di altri particolari ceppi di batteri sembrano essere in grado di asportare la quasi totalità di zolfo presente nel carbone. Questi dunque possono essere utilizzati per le piogge acide, che danneggiano pesantemente laghi e foreste, le quali sono dovute soprattutto alla presenza di zolfo e i suoi composti che si liberano dalla combustione del carbone.

Settore agro-alimentare

Nel settore agro-alimentare l’impiego degli OGM mira all’ottenimento di piante che esprimano nuove caratteristiche quali:

·        Resistenza ai patogeni ed ai parassiti;

·        Tolleranza agli erbicidi;

·        Resistenza a virus patogeni;

·        Miglioramento delle caratteristiche nutrizionali;

·        Aumento della conservabilità;

·        Maschio-sterilità e recupero della fertilità.

Resistenza agli insetti nocivi

La produzione di piante resistenti all’attacco degli insetti è particolarmente desiderabile per più motivi legati alla possibilità di evitare l’impiego degli insetticidi. La resistenza si ottiene facendo produrre alla pianta una proteina tossica per diversi insetti e innocua per l’uomo, gli animali e altri insetti non nocivi;questa tossina viene naturalmente prodotta da un batterio ampiamente diffuso nel terreno (Bacillus thuringiensis). Questo batterio possiede un gene (Bt) che codifica per la proteina Cry, che è in grado di legarsi selettivamente a specifici recettori che si trovano nell’epitelio intestinale delle larve di alcune specie di insetti. L’epitelio intestinale viene distrutto a causa del legame tra la proteina e i recettori.

Esistono diversi tipi di proteine Cry che hanno azione su diverse specie di insetti.

Per conferire ad una specie vegetale il carattere di resistenza nei confronti di un  particolare tipo di insetto si deve introdurre nel suo menoma il gene che codifica per la tossina Cry attiva contro quell’insetto. Uno dei primi prodotti con queste caratteristiche, autorizzato per l’uso in diversi Paesi del mondo, è rappresentato da un nuovo tipo di mais transgenico che lo rende altamente resistente agli attacchi di un insetto devastatore chiamato piralide.

La coltivazione su larga scala di mais, cotone e patate con geni Bt è iniziata in Australia, Canada e Argentina. La tossina prodotta dal gene Bt è stata sperimentata anche su pioppo, melanzana, tabacco e soia.

Tolleranza agli erbicidi

Gli erbicidi non sono molto selettivi in quanto agiscono alterando processi fisiologici caratteristici delle piante e quindi, sebbene più attivi verso le erbe infestanti, danneggiano in parte anche le piante agricole. Sono state pertanto prodotte piante transgeniche resistenti a erbicidi. In alcuni di questi erbicidi è presente il glifosato, un principio attivo. In condizioni normali organismi vegetali, batteri e funghi producono l’enzima EPSPS indispensabile per la sintesi di alcuni amminoacidi. L’azione erbicida del glifosato è dovuta al fatto che esso, essendo molto simile al substrato del EPSPS, è in  grado di inibirlo. La tolleranza al glifosato è ottenuta inserendo una variante dell’enzima EPSPS ottenuta da un ceppo di  A. tumefaciens resistente al glifosato. Tale variante ha la caratteristica di essere poco inibita dal glifosato. In presenza di erbicida la pianta geneticamente modificata sopravvive perché l’attività della variante dell’enzima EPSPS è sufficiente a rimpiazzare l’EPSPS endogeno, inibito dall’erbicida. Tra le piante così ingegnerizzate sono da segnalare cotone, mais soia e barbabietola.

Tolleranza al glufosinato d’ammonio

Il glufosinato d’ammonio è un composto che in natura viene prodotto da due specie di attinomiceti (microrganismi filamentosi che vivono nel suolo dove svolgono funzioni quali la degradazione di sostanze organiche). L’azione erbicida del glufosinato è dovuta la fatto che esso è un inibitore dell’enzima glutammica sintetasi che permette la detossificazione dell’ammoniaca. In questo modo l’erbicida blocca il metabolismo delle cellule vegetali. La tolleranza al glufosinato si ottiene inserendo nelle colture un gene (gene pat o gene bar), il quale codifica per un enzima che inattiva chimicamente il glufosinato. In alcuni casi il gene che provoca tolleranza all’erbicida deriva dalle stesse piante.

Resistenza alle malattie infettiva (virali, batteriche, fungine)

I risultati più promettenti si sono per ora ottenuti trasferendo la resistenza alle malattie virali. Uno dei meccanismi per ottenere questo tipo di resistenza prevede la produzione di piante che esprimono il gene virale che codifica per la proteina principale del guscio del virus (capside): verosimilmente, la presenza di questa proteina nella cellula vegetale interferisce con la penetrazione e la  replicazione dei virus infettanti nella cellula stessa. Il meccanismo con cui si instaura la protezione non è chiaro. Sono state, ad esempio, già prodotte piante transgeniche di pomodoro, di patata, di melone, di riso,e di tabacco, che resistono alle infezioni da parte di specifici virus.

Altri esperimenti sono stati condotti per produrre piante transgeniche resistenti a batteri e funghi patogeni: per esempio è stato possibile far produrre alla pianta del tabacco un gene per l’espressione dell’enzima che conferisce resistenza all’infezione da parte del batterio Pseudomonas syringae poiché degrada la tossina prodotta dal batterio.

Miglioramento delle qualità

- Qualità nutrizionali:

con modificazioni genetiche si sono ottenute piante con maggior contenuto di amminoacidi, minerali, vitamine o con una composizione lipidica modificata .Un esempio di questo tipo di modificazioni è il riso Golden Rice, capace di sintetizzare la vitamina A

- Qualità commerciale:

un esempio di modifiche genetiche con questa finalità è il pomodoro FLAVR SAVR in cui è stato introdotto il gene  la cui espressione blocca l’attività del gene naturale dell’enzima responsabile del rammollimento in maturazione. In questo modo il pomodoro può essere raccolto più tardi e si conserva per maggior tempo mantenendo inalterato il suo gusto.

Resistenza agli stress ambientali per lo sfruttamento delle terre marginali

Sono in corso numerosi studi per la produzione di piante transgeniche resistenti ai diversi stress ambientali (tolleranza alla siccità, alla salinità dell’acqua, alle basse temperature,…)in modo da ridurre le perdite di produzione, me soprattutto di estendere la loro coltivazione a quelle terre, cosiddette “marginali”, che attualmente non sono coltivabili o perché troppo ricche di sali o ad altissimo rischio di siccità o ancora sottoposte ad altre avversità ambientali. Ad esempio, sono già state individuate particolari varietà di piante che possono essere irrigate con l’acqua di mare, quali cotone, meloni e verdure varie; i geni responsabili di questa caratteristica sono stati identificati e sono in corso ricerche per farli esprimere in altre varietà di vegetali agricoli.

Produzione di nuove varietà (colorazioni) di fiori

L’industria della floricoltura ha iniziato a sperimentare le tecniche del DNA ricombinante per ottenere nuove varietà di fiori con caratteristiche diverse (come nuove varietà di colori). I primi esperimenti sono stati condotti sulle petunie, sia inserendo geni per l’espressione di RNA antisenso, allo scopo di inibire un enzima che produce il pigmento del fiore (l’antocianina) al fine di ottenere fiori bianchi sia inserendo un gene che produce un enzima capace di potenziare le biosintesi dell’antocianina al fine di ottenere una colorazione più intensa.