a cura di Bovo Mattia e Monni
Alberto 02/02/2001
Si tratta di metodi e procedure che utilizzano organismi viventi in vari
processi industriali, nonché nella produzione di farmaci e altri composti
chimici. A partire dagli anni Settanta il termine "biotecnologie" è
divenuto parte del vocabolario comune, in coincidenza con lo sviluppo dell'ingegneria genetica[LT1]. Gran parte delle moderne
biotecnologie fa uso di organismi alterati geneticamente, che funzionano più
efficacemente o in modo diverso dall'organismo originario.
Origini delle
biotecnologie
Biotecnologie
con i microrganismi
La prevenzione
delle malattie infettive
Applicazioni
ambientali
Vegetali biotecnologici
Biotecnologie
negli animali
Ingenieria
genetica:
Vantaggi
Origini delle biotecnologie
Tra gli esempi più antichi di ciò che oggi chiamiamo biotecnologie vi
sono la produzione di birra, vino e altre bevande alcoliche. Molte civiltà del
passato scoprirono che le sostanze zuccherose e ricche di amido talvolta si
modificano spontaneamente, generando alcol. Il processo alla base di questi
fenomeni venne successivamente chiamato fermentazione e nel XIX secolo il
biochimico francese Louis Pasteur dimostrò che esso era determinato dalla
presenza di specifici microrganismi.
Il lavoro di Pasteur non rivoluzionò soltanto le tecnologie di produzione
della birra e del vino, ma servì anche come indicazione del fatto che altri
composti chimici potevano essere prodotti con l'impiego dei microrganismi. Uno
di questi composti è l'acetone, un solvente utilizzato per fabbricare un
materiale esplosivo; durante la prima guerra mondiale fu dimostrato che
l'acetone poteva essere prodotto con l'utilizzo del batterio Clostridium
acetobutylicum.
Biotecnologie con i microrganismi
Oggi molti altri composti chimici vengono ottenuti per mezzo
della fermentazione. Tra questi sono compresi l'acido ossalico, impiegato nei
processi di stampa e di tintura, l'acido propenoico, utilizzato come intermedio
nella produzione di alcune materie plastiche, l'acido lattico, aggiunto come
acidificante ad alcuni alimenti, e le sostanze antigelo. I microrganismi
producono, inoltre, molti tipi diversi di enzimi, che, essendo dei
catalizzatori, permettono alle reazioni chimiche di procedere in condizioni
molto più blande di quanto non avverrebbe, invece, in loro assenza. Le
applicazioni vanno dalla rimozione delle macchie (da parte di enzimi aggiunti
ai detergenti e in grado di demolire grassi e proteine) alla conversione
dell'amido di mais in uno sciroppo ricco di fruttosio, usato per dolcificare
bevande, biscotti e dolci.
Un altro episodio fondamentale che ha segnato l'emergere delle
biotecnologie fu la produzione della penicillina dalla muffa Penicillium,
ottenuta durante la seconda guerra mondiale da Howard Florey e dai suoi
colleghi dell'università di Oxford. Il processo fu in seguito molto ampliato,
così come il numero di microrganismi utilizzati per fabbricare la grande
varietà di antibiotici in uso attualmente. Oggi le biotecnologie si trovano di
fronte a una grande sfida, in quanto devono sviluppare nuovi antibiotici in
grado di soppiantare quelli nei confronti dei quali i batteri patogeni sono
divenuti resistenti.
I ricercatori che lavorano nel campo
delle biotecnologie sono oggi in grado di "programmare" i batteri[LT2]
perché producano vari tipi di farmaci. L'insulina umana viene, ad esempio,
impiegata nella terapia del diabete ed è prodotta da batteri in cui, per mezzo
dell'ingegneria genetica, è stato introdotto il gene che codifica per tale
ormone. Diversamente dall'insulina ottenuta da vacche e maiali, la molecola
prodotta dai batteri ha il vantaggio di essere identica all'insulina secreta
dal pancreas umano. Anche l'ormone della crescita umano viene prodotto da
batteri che portano il gene umano corrispondente. Esso, peraltro, non comporta
rischi di contaminazione con patogeni, quali i prioni che causano la malattia
di Creutzfeldt-Jakob, un pericolo reale quando l'ormone veniva ottenuto da
organismi umani. Altri farmaci prodotti da microrganismi alterati geneticamente
comprendono l'interferone, utilizzato nel trattamento dell'epatite B e di certe
forme di cancro, e l'eritropoietina, somministrata ai pazienti affetti da
insufficienza renale, al fine di rimpiazzare i globuli rossi persi durante la
dialisi.
La prevenzione delle malattie infettive
Le biotecnologie stanno rivoluzionando il
modo in cui vengono pordotti i vaccini[LT3].
In questo settore, infatti, i ricercatori erano un tempo limitati a utilizzare
versioni indebolite o uccise del microrganismo responsabile di una data
malattia, mentre oggi possono trasformare microrganismi totalmente innocui in
vaccini. Ciò implica introdurre in essi geni, estratti dai microrganismi
patogeni e che codificano per un particolare tipo di antigene, che, a sua volta, induce l'organismo
ricevente a produrre anticorpi
protettivi. La tecnica facilita l'immunizzazione contro malattie per le quali
finora non esistevano vaccini totalmente soddisfacenti e apre, inoltre, la
strada alla produzione di vaccini che conferiscono simultaneamente protezione
nei confronti di più organismi patogeni.
Applicazioni ambientali
Un'area delle biotecnologie in rapido sviluppo è quella che utilizza i
microrganismi per degradare le sostanze inquinanti presenti nell'ambiente e in
modo particolare nel suolo. Un approccio è basato sul fatto che in terreni
contaminati (ad esempio, le aree precedentemente occupate da impianti
industriali) spesso albergano microrganismi in grado di attaccare le sostanze
chimiche, tossiche per gran parte degli altri organismi viventi. La crescita di
tali microrganismi può a volte essere incrementata introducendo specifiche
sostanze nutritive nell'aria o nel suolo, determinando, così, la degradazione
degli inquinanti. Un'altra tecnica comporta l'introduzione di microrganismi
scelti appositamente per la loro capacità di detossificazione. Un terzo
approccio, infine, prevede la rimozione del suolo contaminato, la sua
esposizione in condizioni controllate all'azione dei microrganismi degradatori
e, quindi, il suo riposizionamento nel sito di origine.
In molti paesi i batteri sono usati per
estrarre metalli come il ferro, lo zinco e l'uranio da giacimenti scarsamente
accessibili o in cui il minerale di interesse non è puro. Le estrazioni
minerarie che utilizzano queste tecnologie stanno diventando sempre più
importanti, via via che i depositi di facile accesso e ricchi di minerali si
stanno esaurendo.
Vegetali biotecnologici
Le biotecnologie che utilizzano le specie vegetali vogliono raggiungere
lo stesso obiettivo di chi opera la più tradizionale riproduzione controllata
delle piante: lo sviluppo di colture e specie dotate di vantaggi quali la
resistenza ai parassiti e alla siccità, oppure un gusto più gradevole o una
maggiore concentrazione di sostanze nutritive. Rispetto ai metodi
convenzionali, tuttavia, le moderne tecnologie consentono di ottenere risultati
più precisi e prevedibili, in quanto permettono di introdurre nel patrimonio
genetico di una specie anche un singolo gene, mentre l'incrocio di una pianta
con un'altra comporta necessariamente il trasferimento di un gran numero di
geni oltre a quello di interesse.
Un risultato ottenuto recentemente è lo sviluppo di una varietà di mais
resistente a un parassita, responsabile della distruzione del 7% del raccolto
mondiale di questo cereale; la resistenza congenita è stata ottenuta
incorporando nella pianta un gene, normalmente presente nel batterio del suolo
Bacillus thuringiensis e in grado di
"istruire" il mais a produrre una sostanza chimica tossica per molti
parassiti.
Le biotecnologie hanno, inoltre, prodotto
varietà vegetali resistenti nei confronti di alcune specie di virus e funghi, nonché
di alcuni erbicidi utilizzati dagli agricoltori per controllare le infestanti.
Anche le caratteristiche qualitative possono essere migliorate, ad esempio
incrementando la concentrazione di certe proteine del grano per il processo di
panificazione..
Biotecnologie negli
animali
Le biotecnologie che fanno uso di specie animali devono il proprio
sviluppo al fatto che questi organismi, sebbene siano più costosi di piante e microrganismi,
producono le sostanze e i composti di interesse in modo più simile a quanto
avviene nel corpo umano. Esattamente come i microrganismi e le specie vegetali,
anche gli animali possono essere alterati geneticamente introducendo nuovi geni
a livello embrionale. In questo modo il gene che codifica per l'alfa-1
antitripsina, utilizzata nella terapia dell'enfisema, è stato, ad esempio,
introdotto nel DNA delle pecore, riprogrammando questi animali a secernere tale
molecola nel latte. Lo stesso metodo è stato adottato per far produrre alle
pecore il fattore IX di coagulazione del sangue, richiesto dalle persone che
soffrono di emofilia. Altri geni estranei sono stati introdotti in mammiferi
come pecore e maiali per potenziare la resistenza alle malattie, migliorare la
qualità del mantello e incrementare il tasso di crescita di questi animali.
Le biotecnologie che fanno uso di animali
sono state criticate da esponenti di numerose associazioni animaliste, i quali
sostengono che alcuni esperimenti hanno avuto effetti negativi sugli animali.
Gli scienziati che difendono questo tipo di sperimentazioni replicano a queste
critiche, sostenendo che, per motivi sia etici che di sicurezza, gli animali
utilizzati godono necessariamente di una salute migliore di quella di gran
parte degli animali selvatici.
Considerazioni personali a
riguardo
Riguardo questa
rapidissima diffusione dell’utilizzo delle biotecnologie in ogni settore, si
sono divisi i pensieri di tutta la popolazione mondiale.Molte persone (tra di
loro numerosi scienziati) si preoccupano per la scarsa prevedibilità degli
effetti che può provocare la liberazione nell'ambiente di organismi viventi
alterati geneticamente. I geni di cui questi organismi sono portatori
potrebbero, infatti, danneggiare altri organismi con cui eventualmente
venissero in contatto. Secondi altri esperti, la precisione di gran lunga
superiore che si ottiene con l'ingegneria genetica, rispetto a quella degli
scambi genetici che avvengono in natura, sembra, tuttavia, ridurre anziché
aumentare tali pericoli. Inoltre, le autorità competenti che in ciascuno stato
regolano le biotecnologie dovrebbero commisurare molto accuratamente i rischi
prima di autorizzare qualunque sperimentazione.
Per controbattere però a quest’ultima
affermazione, basta prendere sotto esame un importante problema che sta tenendo
da un po’ di mesi col fiato sospeso tutta Europa: il pericolo “mucca pazza”;
pare infatti che questa malattia abbia fatto per la prima volta la sua comparsa
in alcuni capi di bestiame in seguito all’utilizzo di farine animali da parte degli allevatori; questi infatti
avrebbero somministrato alle proprie bestie “vegetariane” queste cosiddette
“farine infette”, che, contenendo resti di carcasse animali, avrebbero alterato
tutti processi chimici e biologici all’interno degli sfortunati capi
d’allevamento. Successivamente questa pericolosissima malattia ha fatto la sua
comparsa anche in alcuni individui della specie umana, che hanno presentato le
stesse reazioni riscontrate nei capi infetti. Se tra le due “varianti” della
malattia esistesse uno stretto legame (causato come si pensa dalla ingestione
di carne proveniente da bestie malate finite al macello), le ditte produttrici
dei mangimi e gli enti sanitari locali di ogni nazione europea dovrebbero
assumersi le proprie responsabilità, scontando
giuste pene per tutto quello che hanno provocato nella propria
popolazione. Questo spiega come mai ogni scoperta scientifica ed ogni innovazione
dovrebbe essere presa in considerazione molto prima di testarne le conseguenze
sia su animali che, come nei casi più gravi, sulla specie umana; infatti dietro
queste presunte scoperte, potrebbero nascondersi dei risvolti drammatici e di
lunga durata per ogni singolo individuo.
INGENIERIA
GENETICA
Insieme di tecniche utilizzate per modificare in modo predeterminato le
caratteristiche ereditarie di un organismo, alterandone il materiale genetico.
Tra i fini che si vogliono ottenere con queste procedure vi sono la sintesi da
parte di microrganismi quali batteri e virus di specifici composti, che
altrimenti verrebbero prodotti in quantità minori o non verrebbero prodotti del
tutto. Con tecniche di ingegneria genetica si può anche indurre l'adattamento
di una specie di microrganismi a condizioni di vita diverse da quelle
selvatiche.
L'ingegneria genetica viene anche detta tecnologia del DNA ricombinante, poiché comporta la manipolazione dell'acido desossiribonucleico o DNA. Gli strumenti fondamentali per operare questo tipo di manipolazione sono i cosiddetti enzimi di restrizione, prodotti da varie specie di batteri; la loro azione consiste nel riconoscimento all'interno di una molecola di DNA di una sequenza specifica, sulla quale viene operato un taglio. In questo modo vengono generati frammenti di DNA, originari di specie diverse e contenenti geni o sequenze di particolare interesse, che possono essere uniti ad altre molecole di DNA tramite enzimi chiamati "ligasi". Pertanto, gli enzimi di restrizione e le ligasi permettono, con un procedimento di "taglia e incolla", di costruire molecole di DNA ricombinante; per ottenere la loro replicazione in multipla copia è necessario inserirli con il metodo enzimatico del "taglia e incolla" nei cosiddetti "vettori", pezzi di DNA in grado di autoreplicarsi molto rapidamente all'interno di una cellula ospite.
Il classico processo di produzione di una molecola ricombinante,
costituita dal vettore e dal frammento di DNA in esso inserito, prende il nome
di "clonazione[LT4]". Da qualche anno è possibile
ottenere questo stesso risultato con un nuovo metodo, chiamato reazione a
catena della polimerasi (PCR[LT5]), grazie al quale è possibile evitare
il passaggio della clonazione del frammento di DNA in un vettore.
Le potenzialità offerte dalle tecniche di ingegneria genetica sono
enormi. Ad esempio, il gene che codifica per l'insulina è presente in natura solo
negli animali superiori. Oggi può, tuttavia, essere clonato in un vettore ed
essere inserito insieme a esso in una cellula batterica. Dalla coltura dei
batteri contenenti la molecola di DNA ricombinante si ottengono grandi quantità
di insulina. Un'altra importante applicazione dell'ingegneria genetica è la
produzione di una proteina coinvolta nei processi di coagulazione del sangue
che è assente nelle persone affette da emofilia. La somministrazione agli
emofiliaci della proteina ricombinante, prodotta con la clonazione nei batteri
del gene che codifica per quella proteina, consente, infatti, di evitare di
somministrare ai malati la proteina purificata dal sangue umano; quest'ultimo,
infatti, nonostante i controlli più accurati, potrebbe comunque essere
contaminato da microrganismi patologici e dunque trasmettere malattie
infettive, quali ad esempio l’ AIDS o varie forme di epatite.
Le tecniche di ingegneria genetica
vengono anche utilizzate dai ricercatori del settore agroalimentare, ad esempio
per aumentare la resistenza di specie vegetali alle malattie o per modificare
il patrimonio genetico del bestiame, ad esempio al fine di incrementare la
produzione di latte; l'industria farmaceutica utilizza questi metodi per
generare vaccini ricombinanti o per cercare di fare produrre a razze bovine
selezionate alcuni tipi di farmaci insieme al latte materno.
Enciclopedia
multimediale Encarta ‘98
G: Audesirk, T.
Audesirk, Biologia, La vita sulla Terra, Einaudi Scuola