Pocket K No. 17: Ingegneria genetica e colture geneticamente modificate
Negli ultimi 50 anni, il campo dell’ingegneria genetica si è sviluppato rapidamente grazie alla maggiore comprensione dell’acido desossiribonucleico (DNA) come codice chimico a doppia elica da cui sono fatti i geni. Il termine ingegneria genetica è usato per descrivere il processo attraverso il quale la composizione genetica di un organismo può essere alterata usando la “tecnologia del DNA ricombinante”. Ciò comporta l’uso di strumenti di laboratorio per inserire, alterare o tagliare pezzi di DNA che contengono uno o più geni di interesse.
Sviluppare varietà di piante che esprimono buone caratteristiche agronomiche è l’obiettivo finale dei selezionatori di piante. Con l’allevamento convenzionale delle piante, tuttavia, c’è poca o nessuna garanzia di ottenere una particolare combinazione di geni dai milioni di incroci generati. I geni indesiderati possono essere trasferiti insieme ai geni desiderabili; oppure, mentre un gene desiderabile viene guadagnato, un altro viene perso perché i geni di entrambi i genitori vengono mescolati insieme e riassortiti in modo più o meno casuale nella prole. Questi problemi limitano i miglioramenti che i selezionatori di piante possono ottenere.
Al contrario, l’ingegneria genetica permette il trasferimento diretto di uno o pochi geni di interesse, tra organismi strettamente o lontanamente correlati per ottenere il tratto agronomico desiderato (Figura 1). Non tutte le tecniche di ingegneria genetica comportano l’inserimento di DNA da altri organismi. Le piante possono anche essere modificate rimuovendo o spegnendo i propri geni particolari.
Figura 1. Confronto tra allevamento convenzionale e ingegneria genetica.
Fonte: Biotecnologie agricole (Molto più che solo colture GM). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/
| Allevamento convenzionale | Ingegneria genetica |
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Fonte: Biotecnologie agricole (Molto più che colture GM). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/.
I geni sono molecole di DNA che codificano per tratti o caratteristiche distinte. Per esempio, una particolare sequenza di geni è responsabile del colore di un fiore o della capacità di una pianta di combattere una malattia o di prosperare in un ambiente estremo.
L’ingegnere genetico della natura
La “condivisione” del DNA tra forme viventi è ben documentata come fenomeno naturale. Per migliaia di anni, i geni sono passati da un organismo all’altro. Per esempio, Agrobacterium tumefaciens, un batterio del suolo noto come “l’ingegnere genetico della natura”, ha la capacità naturale di ingegnerizzare geneticamente le piante. Causa la malattia della galla della corona in una vasta gamma di piante a foglia larga, come mele, pere, pesche, ciliegie, mandorle, lamponi e rose. La malattia prende il suo nome dai grandi rigonfiamenti simili a tumori (galle) che tipicamente si verificano sulla corona della pianta, appena sopra il livello del suolo. Fondamentalmente, il batterio trasferisce parte del suo DNA alla pianta, e questo DNA si integra nel genoma della pianta, causando la produzione di tumori e cambiamenti associati nel metabolismo della pianta.
Applicazione dell’ingegneria genetica nella produzione di colture
Le tecniche di ingegneria genetica sono utilizzate solo quando tutte le altre tecniche sono state esaurite, vale a dire quando il tratto che si vuole ottenere non è più disponibile.Cioè quando il tratto da introdurre non è presente nel germoplasma della coltura; il tratto è molto difficile da migliorare con i metodi di allevamento convenzionali; e quando ci vorrà molto tempo per introdurre e/o migliorare tale tratto nella coltura con i metodi di allevamento convenzionali (vedi Figura 2). Le colture sviluppate attraverso l’ingegneria genetica sono comunemente note come colture transgeniche o geneticamente modificate (GM).
Il moderno miglioramento genetico delle piante è un processo multidisciplinare e coordinato in cui vengono utilizzati e integrati un gran numero di strumenti ed elementi di tecniche di miglioramento genetico convenzionali, bioinformatica, genetica molecolare, biologia molecolare e ingegneria genetica.
Figura 2: Miglioramento moderno delle piante
Fonte: DANIDA, 2002.
Sviluppo di colture transgeniche
Anche se ci sono molte tecniche diverse e complesse coinvolte nell’ingegneria genetica, i suoi principi di base sono ragionevolmente semplici. Ci sono cinque fasi principali nello sviluppo di una coltura geneticamente modificata. Ma per ogni passo, è molto importante conoscere i meccanismi biochimici e fisiologici di azione, la regolazione dell’espressione genica e la sicurezza del gene e del prodotto genico da utilizzare. Anche prima che una coltura geneticamente modificata sia resa disponibile per uso commerciale, deve passare attraverso rigorose procedure di sicurezza e di valutazione del rischio.
Il primo passo è l’estrazione del DNA dall’organismo noto per avere il tratto di interesse. Il secondo passo è la clonazione del gene, che isolerà il gene di interesse dall’intero DNA estratto, seguito dalla produzione di massa del gene clonato in una cellula ospite. Una volta clonato, il gene di interesse viene progettato e confezionato in modo che possa essere controllato ed espresso correttamente una volta all’interno della pianta ospite. Il gene modificato sarà poi prodotto in massa in una cellula ospite per farne migliaia di copie. Quando il pacchetto genico è pronto, può essere introdotto nelle cellule della pianta da modificare attraverso un processo chiamato trasformazione. I metodi più comuni usati per introdurre il pacchetto genico nelle cellule della pianta includono la trasformazione biolistica (usando una pistola genica) o la trasformazione mediata da Agrobacterium. Una volta che il gene inserito è stabile, ereditato ed espresso nelle generazioni successive, allora la pianta è considerata transgenica. Il backcross breeding è la fase finale del processo di ingegneria genetica, in cui la coltura transgenica viene incrociata con una varietà che possiede importanti caratteristiche agronomiche, e selezionata per ottenere piante di alta qualità che esprimono il gene inserito nel modo desiderato.
Il tempo necessario per sviluppare una pianta transgenica dipende dal gene, dalle specie coltivate, dalle risorse disponibili e dall’approvazione normativa. Possono essere necessari 6-15 anni prima che un nuovo ibrido transgenico sia pronto per il rilascio commerciale.
Colture commercialmente disponibili migliorate attraverso l’ingegneria genetica
Le colture transgeniche sono state piantate in diversi paesi per venti anni, a partire dal 1996. Circa 191,7 milioni di ettari sono stati piantati nel 2018 a colture transgeniche con alto valore di mercato, come la soia, il mais, il cotone e la canola tolleranti agli erbicidi; mais, cotone, patate e riso resistenti agli insetti; e zucca e papaia resistenti ai virus. Con l’ingegneria genetica, più di un tratto può essere incorporato o impilato in una pianta. Colture transgeniche con tratti combinati sono anche disponibili commercialmente. Questi includono mais, soia e cotone tolleranti agli erbicidi e resistenti agli insetti.
Nuove e future iniziative nell’ingegneria genetica delle colture
Ad oggi, le colture GM commerciali hanno portato benefici nella produzione di colture, ma ci sono anche un certo numero di prodotti in cantiere che daranno contributi più diretti alla qualità del cibo, benefici ambientali, produzione farmaceutica e colture non alimentari. Esempi di questi prodotti includono: riso biotech con triplo stack trait con una migliore resa in mezzo a stress abiotici, castagno biotech con resistenza alla peronospora del castagno, agrumi biotech resistenti al greening, patata arricchita con beta carotene, sorgo biofortificato, banana resistente all’avvizzimento batterico (Xanthomonas), banana resistente al virus Bunchytop, grano resistente agli insetti, tra gli altri.
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*Aggiornato marzo 2020