Biotecnologie delle produzioni animali

BIOTECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI

ANIMALI

Le biotecnologie hanno rivoluzionato numerosi aspetti fondamentali della

nostra società; proprio per questo si parla di rivoluzione biotecnologica. Le

biotecnologie hanno cambiato i campi della salute umana, della produzione e

lavorazione degli alimenti, dell’industria per la produzione di beni e energia con

processo a minor impatto ambientale. Il termine biotecnologie indica l’uso di

organismi viventi per risolvere problemi o generare prodotti utili a vantaggio

della specie umana. Gli organismi viventi da sempre ci offrono cibo,

produzione, vestiti e combustibili. L’uomo utilizza gli altri esseri viventi e ne

modifica la morfologia da migliaia di anni, da quando l’uomo ha iniziato ad

addomesticare animali e piante, modificandone così la morfologia al fine di

migliorarne la produttività (es. il teosinte è stato così tanto modificato da dare

origine al mais). Gli animali vennero addomesticati a partire da 12-15.000 anni

fa. L’agricoltura e l’allevamento ha permesso la fine del nomadismo e l’inizio

della stanzialità. I primi animali a essere addomesticati furono i cani; l’uomo

addomesticò questo animale quando era ancora un cacciatore e un

raccoglitore. I cavalli furono addomesticati molto dopo; i primi ad

addomesticare i cavalli furono i Botai, in Kazakistan. Oltre ai cavalli, vennero

addomesticati anche pecore e capre, il maiale, i bovini e i polli. In parallelo

all’addomesticamento di piante e animali, i nostri antenati iniziarono a usare

inconsciamente i batteri e i funghi al fine di produrre prodotti utili. I microbi

vennero usati inizialmente per la produzione di cibi e bevande. Solo con il

progresso tecnologico del 20 secolo i microbi vennero iniziati per la produzione

di enzimi, vaccini, proteine ricombinanti, farmaci e antibiotici. Le biotecnologie

moderne differiscono da quelle antiche solo per il semplice fatto che, ai tempi i

principi alla base delle biotecnologie erano sconosciuti (biotecnologie antiche).

Nel momento in cui si scopre la base scientifica che è dietro a un processo

produttivo si può parlare di biotecnologie moderne. Il miglioramento

tecnologico si riflette anche sulla possibilità di migliorare geneticamente un

organismo. Inizialmente si otteneva un miglioramento genetico mediante

incroci programmati; ad oggi si procede mediante ingegneria genetica. In base

alla convenzione sulla biodiversità biologica le biotecnologie consistono in tutte

le applicazioni tecnologiche che utilizzano sistemi biologici, organismi viventi e

loro derivanti per produrre o modificare prodotti utili e di consumo.

La storia delle biotecnologie

Biotecnologie antiche => comprende l’addomesticamento di animali; le prime

prove di addomesticamento risalgono a 9000 anni a.C. Circa nel periodo

neolitico si iniziò a praticare la castrazione animale (rimozione di organi

essenziale per la riproduzione). L’asportazione dei testicoli è detta orchiectomia

mentre la rimozione delle ovaie è detta ovariectomia. Il primo trattato sulla

castrazione risale all’epoca romana. Biotecnologie tradizionali=> gli

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xenotrapianti sono un esempio di biotecnologie classiche. Uno xenotrapianto

rappresenta la sostituzione di un componente dell’organismo di un umano con

l’analogo componente derivante da un animale. Gli xenotrapianti danno

problemi di rigetto. Il primo xenotrapianto fu fatto nel 1600 circa; un

aristocratico russo vide il cranio riparato con un innesto d’osso derivante da un

cane. Un secondo esempio di biotecnologie classiche è la fecondazione

artificiale su rana fatta da Spallanzani. Oltre a ciò, Spallanzani studiò gli

spermatozoi. Dopo aver studiato le rane, si diede all’inseminazione di cani.

Questo ricercatore confutò anche la teoria della generazione spontanea. Un

terzo esempio di biotecnologie classiche è dato da Hunter, medico scozzese

che rese gravida una donna mediante inseminazione artificiale. Il bambino nato

da questa procedura era sano. Miescher isolò per la prima volta gli acidi

nucleici. Miescher si interessò dello studio di leucociti, noti per essere il

principale componente del pus. Miescher isolò gli acidi nucleici a partire dai

leucociti presenti nel pus.

Al fine di recuperare le cellule dai bendaggi usò una soluzione salina mentre

per la separazione degli acidi nucleici dai restanti componenti della cellula fu

fatta mediante l’uso di una base e poi di un acido. Negli anni successivi applicò

con successo l’estrazione del DNA sugli spermatozoi di salmone.

Nel 1890 Heap fece il primo hembryo transfer in coniglio. Ciò è un antenato

della FIVET (Fertilization In Vitro Embryo Transfer). Ivanov fu un biologo russo

che perfezionò le tecniche di inseminazione artificiale, applicandole ai cavalli.

Usò l’inseminazione artificiale anche per la creazione di ibridi interspecie. Tentò

anche di creare un ibrido uomo-scimmia allo scopo di creare un donatore di

superorgani geneticamente modificati, tutto ciò fu un insuccesso. Agli inizi del

1900 si tentò di fare uno xenotrapianto di un rene di coniglio in un paziente

affetto da insufficienza renale. Il paziente morì dopo 16 giorni ma non si capì la

causa del decesso. Oltre a ciò, in Francia un ricercatore xenotrapiantò due reni

(di maiale e di pecora) nello spazio tra ulna e radio di 2 donne affette da

insufficienza renale. Nessuno dei due tentativi fu un successo. Si tentò anche di

condurre uno xenotrapianto usando il rene di un primate nell’uomo; anche in

questo caso fu un insuccesso. Stessa cosa per il rene derivante dall’agnello.

Questo fu il primo xenotrapianto condotto in seguito a degli esperimenti al fine

di identificare il donatore adatto. Dopo i reni si passò alle gonadi. Voronoff

sviluppò una tecnica per l’innesto di testicoli di scimmia su testicoli umani.

Voronoff osservò che l’innesto di testicoli negli eunuchi invertono il prematuro

invecchiamento di questi individui. Ciò fu applicato a 500 pazienti anziani che

videro gli innesti di testicoli di scimmia sui loro testicoli. Voronoff passò poi alle

donne, in cui innestò ovaie di scimmia in donne in menopausa. Entrambi gli

esperimenti furono un successo ma dopo qualche tempo iniziarono a

presentarsi i primi effetti collaterali. Dopo i testicoli si passò al cuore. Hardy usò

il cuore di uno scimpanzé in un 68-enne. Il cuore tuttavia si rivelò troppo

piccolo e il paziente morì dopo 90 minuti. Il secondo tentativo fu fatto da

Bernard che inserì il cuore di un babbuino su una dona di 25 anni. Dopo circa 6

ore avvenne il rigetto. Dopo il cuore si passò al midollo. Dei ricercatori

impiantarono il midollo osseo in una paziente ma questo morì dopo 26 giorni a

causa di una infezione. Un secondo tentativo si ebbe con il malato di AIDS

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Getty; esso ricevette delle cellule di midollo osseo di babbuino (immune

all’AIDS).

Getty sopravvisse al trapianto ma le cellule non attecchirono; rimasero solo per

2 settimane nell’organismo dell’uomo. Durante gli anni ’70 si ebbe l’origine

della transgenesi. Il primo esperimento fu fatto iniettando dei frammenti del

virus di SV40 in cavitò celomatica di topo, ottenendo dei topi mutanti. Nel 1982

due ricercatori iniettarono l’ormone della crescita umano in topi, ottenendo così

topi più grossi. Nel 1985 vennero creati pesci transgenici recanti numerose

copie del gene dell’ormone della crescita; queste carpe presentavano una

dimensione maggiore e nessuna variazione organolettica. Suddette carpe

avevano più probabilità di accoppiarsi rispetto alle carpe di normali dimensioni.

S. aureus.

Nel 2005 venne creata la prima vacca resistente alle mastiti da

Queste esprimono il gene della lisostafina nei tessuti delle cellule mammarie.

Nel 2008 si tentò di clonare lo stambecco dei Pirenei, un animale estinto nel

1999. Si partì da delle biopsie di tessuto cutaneo di stambecco femmina e si

cercò di clonarlo una volta estinto. La fisiologia riproduttiva delle capre è ben

conosciuta e la gestazione è di soli 5 mesi tuttavia fu un insuccesso.

Nel primo tentativo gli embrioni non passarono la gestazione e nel secondo il

clone che venne alla luce ma morì dopo 7 minuti.

ANIMALI TRANSGENICI

Enviropig -> suini geneticamente modificati a sostegno del settore

agroalimentari, sono animali OGM approvati.

EUTROFIZZAZIONE -> indica una condizione di ricchezza di sostanze nutritive

in un dato ambiente, una sovrabbondanza di fosfati e nitrati in un ambiente

acquatico -> questa abbondanza porta ad un degrado dell’ambiente. Questo

fenomeno è stato riconosciuto come un problema di inquinamento in Europa e

nell’America del Nord. Questo termine viene usato per indicare le fasi

successive del processo biologico conseguente a tale arricchimento ->

l’eccessivo accrescimento degli organismi vegetali che si ha per effetto della

presenza nell’ecosistema acquatico di dosi troppo elevate di micronutrienti

come Z, N, S dovuti a scarichi, uso massiccio di fertilizzanti.

Fonti naturali: bassi fondali, scarso ricambio idrico, elevata T dell’acqua.

Fonti umani: inteso carico da turismo estivo, immissione di reflui urbani

localizzati e diffusi, barriere frangiflutti che alterano l’idrodinamismo costiero,

carichi diffusi da fiumi che drenano aree ad elevato sfruttamento aera

zootecnica.

Il processo di eutrofizzazione si sviluppa in modo graduale e potrebbe essere

riassunto in 4 eventi:

1. Accumulo di micronutrienti derivanti da scarichi domestici, industriali e

rifiuti agricoli. Questo accumulo causa la proliferazione anomala di alghe

microscopiche, normalmente queste vengono smaltite dallo zooplancton,

ma l’accumulo così elevato non permette una giusta degradazione.

2. Incremento della quantità di alghe presso la superficie dello spettro

d’acqua -> limitazione scambi gassosi (tra aria e acqua), limita il

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passaggio in soluzione dell’ossigeno atmosferica, limita anche la

filtrazione della luce che non penetra negli strati più profondi dell’acqua

3. Quando le alghe muoiono si assiste ad una forte diminuzione

dell’ossigeno disciolto in acqua, a causa della decomposizione delle alghe

e a causa dei processi di fermentazione, a causa di processi di

degradazione condotti da batteri aerobici

4. Una volta terminato l’ossigeno disciolto prendono piede reazioni di

fermentazioni, compiute da popolazioni batteriche anerobiche -> si

liberano quantità di ammoniaca, metano e acido solfidrico -> ambiente

inospitale delle forme di vita

Gli animali che sono abbastanza sensibili all’ossigeno, come le trote ad

esempio, non possono sopportare l’eutrofizzazione. Conseguenze:

Aumento della biomassa di fitoplancton

 Sviluppo di specie tossiche di fitoplancton

 Aumento della quantità di mucillagini

 Aumento delle piante acquatiche in prossimità dei litorali

 Aumento della torbidità e cattivo odore dell’acqua

 Diminuzione della quantità di ossigeno disciolto nell’acqua

 Diminuzione della diversità microbica

 Scomparsa di alcune specie ittiche pregiate (salmonidi)



Per contrastare l’eutrofizzazione sono necessari interventi che riducono

l’afflusso di nutrienti ai compri idrici -> riduzione dei fertilizzanti in agricoltura,

depurazione degli scarichi civili ed industriali, trattamento delle acque di scolo

delle colture tramite agenti sequestranti ed impianti di fitodepurazione. Anche

il riscaldamento globale può indurre complicazioni.

Uno dei fattori che contribuisce all’eutrofizzazione è il fosforo in forma di

fosfato. Una delle fonti naturali di questo elemento sono gli escrementi degli

animali monogastrici, suini, ovini, caprini, polli e conigli. In particolari gli

animali che vengono alimentati con sementi. Gli scarti sono ricchi di acido

fitico. La maggior parte del fosforo presente nei cereali e in altri semi utilizzati

per la preparazione dei mangimi è in forma di acido fitico (o mioinositolo), è un

polialcol carbociclico, la forma più importante di questo polialcol è il

mioinositolo -> IP6. I polialcoli sono composti chimici che contengono più

gruppi OH. Il fosforo presente in questa forma non è disponibile come fonte

nutrizionale per gli animali monogastrici in quanti questi possiedono delle

ridotte capacità degradative, questi animali non riescono a digerire l’acido

fitico perché non hanno enzimi per digerirlo. Il fosforo legato ad acido fitico

viene escreto nelle feci e disperso nell’ambiente. Questo ha portato la

necessità di addizionare i mangimi con fosforo in quanto nono sono in grado

digerire acido fitico possono mostrare malnutrizione a causa della carenza di

fosforo. Questo comporta ad un aumento dei costi di gestione dell’allevamento,

costi di produzione di questi animali. Grandi quantitativi di fosforo vengono

espulsi con delle feci e l’uso di questi escrementi come concime causa grossi

accumuli di fosforo nel terreno, con le piogge l’accumulo di fosfati si sparge nei

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corsi d’acqua, porta ad un incremento dei micronutrienti -> moltiplicazione

molto elevate di alghe che si depositano sulla superficie dell’acqua con tutti gli

effetti negativi che ne derivano. Questo fenomeno porta anche ad un accumulo

notevole di gas serra come NO.

L’orzo contiene il 0.34% di fosforo di cui il 56% è sotto forma di acido fitico, il

mais contiene 0.26% e il 66% di questo è sotto forma di acido fitico -> gli

enzimi digestivi di questi animali non sono in grado di scinderlo, l’animale va in

carenza di fosforo. La stessa cosa si può dire delle farine, del frumento, crusca.

Dalla tabella si nota che % molto alte di fosforo si trovano sotto forma di acido

fitico in quasi tutte le materie prime che vengono usate per la preparazione di

mangimi.

L’acido fitico nonostante sia presente in molti sistemi eucariotici, rappresenta

la principale forma di scorta dei semi -> 80% del fosforo totale e 1.5% del peso

secco totale del seme. È anche un ottimo elemento chelante, racchiude anche

molti cationi metallici (Ca, Mn, Zn, K, Fe, Mg) -> riduce quindi il potenziale

cationico. È un composto presente in tutti i tessuti vegetali e si accumula

principalmente nei semi e in particolare nei globoidi che sono preposti

all’accumulo di Sali di acido fitico. I globoidi si trovano nello strato esterno

dell’endosperma -> aleurone. L’acido fitico si trova insieme alle proteine.

L’acido fitico è una molecola abbastanza importante in numerosi processi

cellulari per le proprietà chelanti e per la capacità di donare e ricevere fosfati.

Funge come precursori dei messaggeri secondari. Notevoli capacità anti

radicali liberi -> inibisce la reazione di Fenton -> formazione di radicali OH

come conseguenza dell’ossidazione dello ione ferroso a ferrico in presenza di

acqua ossigenata o di altri perossidi. Può essere anche più efficace dell’EDTA. I

radicali liberi sono molto reattivi e agiscono in maniera non specifica.

Potenziale farmaco per prevenire patologie come: Alzheimer, Parkinson,

 cirrosi, artrite e cancro

Implicato nella digestione dell’amido e nella risposta glicemica

 Previene la calcificazione dei tessuti molli e la formazione di calcoli renali

 Riduce colesterolo e trigliceridi circolanti

 A livello cellulari intermedi fosforilati dell’inositolo sono coinvolti nella

 regolazione dei geni, nel trasporto dell’mRNA e nella riparazione del DNA

IP3 è importante messaggero secondario intracellulare, responsabile

 della modulazione dei flussi di Ca intracellulare

I derivati dell’acido fitico contribuiscono a svariate funzioni cellulari

 L’abilità dell’acido fitico di inibire le reazioni ossidative a carico dello ione

 ferroso è sfruttata per lo sviluppo di conservanti per le carni

Viene usato anche nei dentifrici per prevenire la formazione di placche

 batteriche

In uno studio effetto nel 2006 è stato riscontrato:

aumento della differenziazione cellulare, apoptosi e funzione

 immunitaria, 5

Inibizione della proliferazione delle cellule tumorali, delle metastasi

 tumorali, angiogenesi, infiammazione

Studio fatto in vitro, ma considerando il basso utilizzo dell’acido fitico non

comporta quindi a tutti questi effetti positivi. Può essere usato sotto forma di

supposte per il trattamento del tumore al colon, per via orale invece non viene

assorbito e quindi non funziona. Proprietà negative:

A causa delle sue capacità chelanti una dieta ricca di acido fitico

 protratta per lunghi periodi è associata a carenza di minerali e

malnutrizione

Fattore anti-nutrizionale -> le condizioni di pH rendono il complesso acido

 fitico-cationi altamente insolubile e quindi non disponibile per

l’assorbimento nell’intestino dei monogastrici

Necessità di addizionare i mangimi con supplementi di fosforo inorganico

 al fine di venir incontro alle necessità nutritive per una corretta crescita

Le feci degli animali monogastrici portano all’eutrofizzazione



Per digerire l’acido fitico servono le fitasi, una classe di fosfatasi. Nel 1908 si

scoprì la prima fitasi da tessuto animale, nel 2002 fu individuata la fitasi

soltanto nel sangue di piccoli invertebrati, è stata rilevata attività fitasica negli

estratti della mucosa dell’intestino dei topi. Le fitasi poi sono state scoperte

anche in batteri, lieviti e funghi. Sono riconosciute tre classi principali di enzimi

con attività chinasica e si distinguono per 3 parametri:

1. Sito di inizio della defosforilazione sull’anello di inositolo. La reazione

enzimatic