Ingegneria metabolica delle piante

Ingegneria metabolica delle piante

Non si può vivere senza piante. Le piante producono ossigeno, indispensabile per la vita sul pianeta. Inoltre, esse servono per formare tutta la biomassa di cui ci nutriamo, formano tutti i macronutrienti di cui necessitiamo. Esse producono anche un grosso assortimento di prodotti chimici utili per l'umanità. Un esempio è lo zucchero di canna.

Produzione di nutrienti e composti chimici

Le piante producono anche amido, esso è un polimero di monomeri di glucosio uniti mediante legami alfa utilizzato dalle piante come un deposito energetico; nel momento del bisogno viene digerito in monomeri di glucosio e utilizzato. La cellulosa è anch'essa un polimero di glucosio legati tra loro da legami beta; essa ha un ruolo strutturale (parete cellulare vegetale), non può essere digerita e utilizzata da animali (essa viene però digerita da batteri contenuti nel rumine dei bovini). I lipidi sono contenuti nei semi delle piante. L'acido oleico è il principale lipide di origine vegetale.

Le piante possono essere anche fonte di enzimi e proteine interessanti dal punto di vista farmaceutico industriale, come ad esempio la bromelina contenuta nell'ananas; questo enzima è molto utilizzato incapsulato per favorire la digestione. Un altro esempio è la papaina, commercializzata anch'essa per coadiuvare i processi digestivi. Le fibre sono un altro componente delle piante, queste derivano dalla parete delle cellule vegetali. Le fibre sono molto importanti a livello dell'apparato gastrointestinale; esse mantengono il microbioma intestinale in stato ottimale, inoltre proteggono da fattori che possono causare tumori a livello intestinale.

Micronutrienti e fitocomposti

I micronutrienti sono un gruppo di composti necessari in piccole quantità, questi micronutrienti sono necessari per numerosi pathways metabolici del nostro corpo. Alcuni esempi di micronutrienti sono potassio, zinco, selenio; tutti questi micronutrienti si possono trovare nelle piante e nei loro frutti come banane, patate, ecc. Le vitamine sono essenziali come cofattori enzimatici, alcune vitamine non possono essere prodotte e vanno assunte mediante la dieta, sotto forma di vitamine già formate o sotto forma di precursori (es. vitamina A la quale deriva dal beta-carotene, vitamina C e vitamina B9).

I cosiddetti fitocomposti sono una serie di molecole tipicamente vegetali che da sempre sono noti per avere attività interessanti per la salute umana, ad esempio gli isotiocianati isolabili dalle crucifere come verze, cavoli e cavolfiori; questi composti sono molto studiati in quanto sembrano avere attività anti-cancerogena. Non tutte le piante producono stessi fitocomposti e nelle stesse quantità; uno dei problemi della ricerca è quello di analizzare piante allo scopo di trovare la pianta che produce il fitocomposto desiderato e in alte quantità. Le piante in questione vengono solitamente cercate in posti incontaminati e disabitati, per lo più in foreste equatoriali.

Malnutrizione e soluzioni

La malnutrizione è la principale causa di morte nel mondo, può essere distinta in: denutrizione (scarso apporto calorico) e cattiva nutrizione (si mangiano troppe schifezze). Entrambe causano problemi in quanto si ha uno scarso o un errato apporto di macro e micronutrienti. In questo periodo storico sta calando la malnutrizione riguardante la carenza di cibo mentre sta aumentando la malnutrizione legata alla sbagliata nutrizione. Una causa di ciò è lo scarso utilizzo di cibi salutari contenenti i corretti micronutrienti, in un contesto di una dieta bilanciata e varia, costituita da molta frutta, verdura e altri cibi non processati.

Un altro metodo per migliorare la dieta umana è la somministrazione di integratori alimentari per via orale o mediante pratiche agronomiche le quali prevedono l'arricchimento minerale del terreno in cui verranno fatte crescere le piante di interesse agroalimentare. Questa strategia non funziona molto in quanto questi minerali sono utilizzati per la crescita, non vengono depositati nella parte edule (il frutto o l'ortaggio).

Fortificazione e biofortificazione

Un altro metodo è la fortificazione, ovvero l'aggiunta di nutrienti chiave (es. ferro, vitamine varie, antiossidanti, ecc.) ad alimenti già pronti. Un esempio di fortificazione si ha nel caso dei cereali corn flakes o del latte. La fortificazione è costosa in quanto è necessario procurarsi i componenti puri da aggiungere, tuttavia si hanno notevoli benefit sia a livello di salute (e quindi abbassamento dei costi sociali legati alle cure di scorretta alimentazione) sia a livello economico.

È possibile raggiungere i vantaggi di saluti abbassando i costi della fortificazione? Sì, mediante biofortificazione. La biofortificazione è il processo di incremento del contenuto naturale di nutrienti biodisponibili nella coltivazione delle piante. Essa riguarda l'ingegnerizzazione a livello genetico al fine di ottenere piante che producono prodotti vegetali arricchiti di questi composti. Si provvede quindi a ingegnerizzare le piante al fine di crearne varianti maggiormente performanti nel deposito di micronutrienti e altre sostanze utili per l'uomo.

• Costi minori rispetto alla fortificazione
• L'ottenimento di piante ingegnerizzate è positivo dal punto di vista della sostenibilità ambientale, in quanto non si immettono nel terreno fertilizzanti in quantità
• Le linee biofortificate possono entrare in programmi di breeding mediante incroci con piante locali d’élite, al fine di adattarle a un dato ecosistema
• I cibi fortificati sono disponibili solo a poche nazioni o città, mentre le sementi delle piante biofortificate possono essere rese disponibili anche a località rurali e remote del mondo

Piante come fonti di farmaci e metaboliti

Le piante, oltre a essere una fonte di cibo, sono anche una fonte di farmaci, droghe, essenze varie e altre molecole utili. Le piante sono una grande fonte di metaboliti secondari. I metaboliti primari nelle piante sono tutti i metaboliti necessari per la vita e la riproduzione delle cellule vegetali, mentre i metaboliti secondari sono tutti quei metaboliti prodotti per la difesa da stress ambientali o da stress biotici (per contrastare i vari parassiti) o prodotti per favorire lo sviluppo della pianta stessa o delle future generazioni (per richiamare insetti impollinatori e animali per la disseminazione dei semi). I prodotti del metabolismo secondario sono formati da molecole molto grosse e ingombranti, che necessitano di molta energia per essere prodotte. Questi, come detto prima, favoriscono la disseminazione, la quale è fondamentale per evitare la competizione tra genitore e progenie per le risorse nutritive presenti in loco.

• Digitalis purpurea => digossina, utilizzata per problemi cardio circolatori
• Taxus brevifoglia => taxolo, ha importanti capacità antitumorali
• Salice => acido salicilico, componente dell'aspirina

Ad oggi si sono fatti passi da gigante nel campo della metabolomica, ovvero lo studio dei metaboliti. Si provvede a individuare e identificare nuovi metaboliti, in seguito a identificare il pathway che porta alla produzione del suddetto metabolita. Tutto ciò è molto complicato in quanto metabolismo primario e secondario non sono separati, il primario fornisce le molecole necessarie per il secondario. Ad oggi, si parla molto anche delle fonti energetiche biorinnovabili. Le piante possono essere fonti per la produzione di energia rinnovabile o per la produzione di materiali biodegradabili come, ad esempio, le materie plastiche.

Phytoremediation

Le piante possono anche essere usate in processi di phytoremediation. Essa riguarda l'utilizzo di piante al fine di bonificare siti ambientali inquinati da contaminanti organici e inorganici. La phytoremediation utilizza piante, alche e microalghe al fine di assorbire i contaminanti presenti nella matrice ambientale inquinata. La pianta agisce come se fosse una spugna, assorbendo l'inquinante; al termine la pianta (piena di inquinanti) viene esportata, processata e smaltita. La phytoremediation può essere utilizzata in svariate matrici (suolo, acqua e aria). Esistono vari tipi di phytoremediation:

• Fitoestrazione (il contaminante viene assorbito dalla pianta)
• Fitodegradazione (il contaminante viene incorporato in composti da parte di essudati della radice oppure degradato dai raggi del Sole)
• Fitostabilizzazione (il contaminante viene reso meno tossico dalle radici)
• Fitovolatilizzazione (il contaminante inquinante il terreno viene trasformato in un composto non tossico e viene disperso nell'aria)
• Fitoestrazione fogliare (il contaminante viene immagazzinato nelle foglie le quali verranno esportate, trattate e smaltite)

Biotecnologie vegetali

Le biotecnologie vegetali focalizzate sul metabolismo secondario si basano sulla conoscenza scientifica (biochimica, fisiologia, genetica, bioinformatica, ecc). Le biotecnologie vegetali influenzano poi l'ambiente, il cibo e la qualità dello stesso, la salute umana e l'industria. Piante transgeniche, piante crops sono piante per la coltivazione; le piante transgeniche di prima generazione sono state fatte prima del 2000. La loro modifica è per rendere le piante più resistenti a erbicidi e insetti. Dopo il 2000 c'è stata la formazione delle piante transgeniche di seconda generazione: non ci si concentra più sulle caratteristiche della coltivazione ma sul miglioramento delle caratteristiche della qualità del prodotto. Ad esempio, un aumento del valore nutrizionale, una minore perdita di nutrienti del prodotto fresco.

Per quanto riguarda le piante transgeniche di terza generazione si parla di piante come "piccole biofabbriche": cellule vegetali o piante che producono sostanze che normalmente non producono, ad esempio anticorpi per uso medico, ab umani, oppure per produzione di prodotti ad esempio oli per l'energia. Queste ultime due generazioni non sono ancora a livello applicativo, non esistono piante che vengono coltivate normalmente sebbene esistano moltissimi dati, moltissime ricerche, anche piante nelle quali si è dimostrato che è possibile mediante delle tecniche di ingegneria di miglioramento produttivo, funzionale e di produzione di biofuel.

Profilo nutrizionale e sfide future

Profilo nutrizionale: aumentare la quantità per esempio di prodotti che sono importanti come ad esempio le vitamine. Importante è la vitamina A. Biofortificazione della vitamina A nel riso. Uno dei problemi principali è la crescita della popolazione. Le piante sono alla base dell'approvvigionamento della popolazione, ultimamente la coltivazione si è basata soprattutto sulla resa. Il contenuto nutrizionale, ovvero quanto la produzione è ricca di minerali, vitamine etc è stato un po' tralasciato. L'altro punto è che di fatto la grande maggioranza della produzione si è fissata su poche specie.

Il 54% della produzione deriva da 3 specie: mais, riso e frumento. Questo vuol dire una perdita nella biodiversità, una perdita nell'accessibilità ad avere dalla dieta tutto quello di cui necessitiamo. 6 crops forniscono la maggior parte dell'energia. Poche specie vegetali sono alla base della nostra alimentazione. Il mais è anche utilizzato indirettamente. Poca variabilità e poca possibilità di recuperare in altre specie ciò di cui abbiamo bisogno. I progressi per quanto riguarda l'aumento dei micronutrienti nel riso è molto limitato, il riso ha un buon apporto calorico, ma un ridotto apporto di micronutrienti. Le piante, anche se in principio hanno macro e micronutrienti richiesti, sono molto diverse riguardo al contenuto, alla quantità. Il riso contiene pochissimi micronutrienti che sono fondamentali, ad esempio ferro, zinco, folati, vitamina E.

Vitamina A

La vitamina A ha un ruolo chiave in molti processi biologici come crescita e vista. Per quanto riguarda il deficit di vitamina A interessa estese regioni della terra, in 45 stati è molto grave, in 122 Paesi non è così grave. Bambini con deficienza di vitamina A alcuni sono ciechi, altri hanno problemi di Xerophthalmia, principale causa di cecità pediatrica, ma si può prevenire, o di cecità notturna, l'occhio non riesce ad adattarsi alla mancanza di luce, perché il retinolo, covalentemente legato a coni e bastoncelli della retina, il retinolo deriva dalla vitamina A. Noi non siamo capaci di fare beta-carotene ma siamo capaci di farlo dalla vitamina A. Il beta-carotene si trova in grande quantità di cibo (carote, spinaci, patate dolci, pomodori, albicocche).

Il riso ha un buon apporto calorico, ha delle interessanti proprietà perché non ci sono grassi, poco colesterolo, poco sodio, non ha apporto vitaminico di vitamina A e C. I micronutrienti essenziali vengono contenuti nel tegumento, ma vengono rimossi, infatti i grani di riso sono privati prima del consumo del tegumento perché fanno sì che durante la conservazione i semi possano diventare rancidi. Il grano di riso ha il problema della germinazione, prima che la radichetta esca e sia in grado di procurare alle piante in crescita tutti i nutrienti dal terreno dovrà avere una certa disponibilità dei nutrienti al suo interno. Dal momento che si toglie l'embrione ci si priva della quantità anche se bassa, di questi nutrienti. Il grano di riso viene "brillato" e contiene piccolissime quantità di nutrienti chiave o mancano addirittura. Il problema è che c'è bisogno di nuove piante di riso: che magari mantengano le buone performance di produzione e di calorie fornite ma che abbiano anche la possibilità di rifornire di nutrienti essenziali.

Supplementazione e ingegneria genetica

C'è la possibilità di supplementare: posso aggiungere della vitamina A ai vari cibi. O posso fortificare attraverso il miglioramento vegetale: si individuano all'interno delle piante di riso quelle che producono più vitamina A e queste vanno migliorate tramite reincroci e di tirare fuori questo carattere e di migliorarlo. Il problema in questo caso è che il riso non mostra alcuna variabilità per quanto riguarda la provitamina A (beta-carotene). Non dà nessuna possibilità di avere delle varietà con alta quantità di vitamina A nel seme. Da un punto di vista prettamente agronomico non arrivo a risolvere il problema. Quindi? Quindi alcuni dicono che il riso giallo non può essere ottenuto per coltivazione e l'unica possibilità che ci resta è quella di intervenire da un punto di vista biotecnologico. Ovvero aggiungo da fuori la variabilità genetica.

Tecniche di ingegneria genetica

Servono due cose: i geni che voglio inserire e una tecnica per inserirli in un genoma vegetale. Due tecniche fondamentali:

• Particle-gun: Fisica, microproiettile, con la quale si spara il transgene all'interno delle cellule che voglio trasformare;
• Agrobacterium: è in grado di inserire un plasmide nel DNA della cellula vegetale. Da qui si ottiene una cellula trasformata.

Cosa trasferiamo? Un gene che però non basta la sua sequenza codificante, servono il suo promotore e il suo terminatore (sono sequenze regolatrici). Dove posso andare a trovare delle sequenze codificanti di interesse? Posso prendere il gene di interesse ovunque, mentre promotore e terminatore devono essere per forza vegetali o riconosciuti da un vegetale (per esempio un promotore di un virus vegetale). Se la proteina per funzionare deve avere una localizzazione precisa, come faccio? Faccio un costrutto con il TP = transit peptide, breve sequenza di riconoscimento per l'entrata nel compartimento corretto nel quale la proteina funziona.

Ci sono due tipi di promotori:

• Costitutivi, permette l'espressione del transgene costitutivamente, durante tutto il periodo della vita della pianta
• Specifici, permette l'espressione del transgene solo in determinati tessuti ad esempio.

Il promotore della proteina gluteina 1 è tipico del seme. Un promotore costitutivo è un promotore che deriva dai virus vegetali, promotore del gene del 35S del virus del mosaico del cavolfiore: CAMV35S. Come si fanno a selezionare le cellule trasformate? Si deve complicare il costrutto ed inserire un altro gene che permette la selezione, lo scopo di quest'ultimo gene non è quello di dare caratteristiche utili, ma di selezionare le cellule trasformate. Si può utilizzare ad esempio un gene di resistenza all'antibiotico che è in grado di annullare l'effetto dell'antibiotico in vari modi. Invece dell'antibiotico posso mettere un erbicida e solo quelle trasformate riescono a sopravvivere perché ad esempio possono degradare l'erbicida. Questo gene si chiama marker selezionabile, gene che fornisce la capacità di sopravvivere e di distinguere le piante trasformate da quelle non trasformate. Il promotore del marcatore di selezione non può essere inducibile, deve essere costitutivo. Il costrutto può essere inserito in qualsiasi tessuto della pianta. I geni di resistenza sono molti, la maggior parte derivano da batteri.

Agrobacterium tumefaciens

È un batterio del suolo, va ad indurre delle infezioni alla base del colletto della pianta (parte che emerge), questo ha l'aspetto di una massa tumorale, se si riproducono. Fa parte del genere Agrobacterio, ci sono vari generi e tutti appartengono alla famiglia delle rizobiacee, è un batterio Gram negativo del suolo. Cosa fa? È un patogeno per molte (circa 60%) dicotiledoni e solo per 5 monocotiledoni. La dicotiledone è un seme caratterizzato da due cotiledoni e quando germina si formano le prime foglioline (dicotiledoni), un esempio sono i fagioli (due cotiledoni e all'interno l'embrione). Nelle monocotiledoni all'interno del seme non si distinguono due parti distinte, ad esempio il mais.