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 hanno 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

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 essenziali 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

Biotecnologie tradizionali => gli 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 embryo 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 inverte 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 donna 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 questa morì dopo 26 giorni a causa di una infezione. Un secondo tentativo si ebbe con il malato di AIDS 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 cavità 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. Le 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 S. aureus. 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 venne alla luce ma morì dopo 7 minuti.

Animali transgenici

Enviropig -> suini geneticamente modificati a sostegno del settore agroalimentare, sono animali OGM approvati.

Eutrofizzazione

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 a 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 umane: intenso 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 aerazootecnico.

Processo di eutrofizzazione

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 passaggio in soluzione dell’ossigeno atmosferico, limita anche la filtrazione della luce che non penetra negli strati più profondi dell’acqua.
• 3. Quando le alghe muoiono si assiste a 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 fermentazione, compiute da popolazioni batteriche anaerobiche -> 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 corpi 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.

Fosforo e acido fitico

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 particolare 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 quanto 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 alla necessità di addizionare i mangimi con fosforo in quanto non sono in grado di digerire acido fitico possono mostrare malnutrizione a causa della carenza di fosforo.

Questo comporta 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 corsi d’acqua, porta a un incremento dei micronutrienti -> moltiplicazioni molto elevate di alghe che si depositano sulla superficie dell’acqua con tutti gli effetti negativi che ne derivano.

Questo fenomeno porta anche a un accumulo notevole di gas serra come NO.

L’orzo contiene lo 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 precursore dei messaggeri secondari.

Notevoli capacità antiradicali 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 cellulare gli 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 effettuato nel 2006 è stato riscontrato:

• Aumento della differenziazione cellulare, apoptosi e funzione immunitaria
• 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 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 enzimatica