SECONDO PROGETTO BIO[TECNO]LOGICO
di SESSEN DANIEL IOHANNES
Il 2020 ha visto un’esplosione di studi nel campo delle biotecnologie e di collaborazioni tra la comunità scientifica, l’industria e il settore sanitario, rivolti verso un arduo obiettivo: affrontare la pandemia da Covid-19. Nella sua complessità, la pandemia ci ha anche mostrato il lato più bello delle biotecnologie, ossia l’importanza dell’unione tra ricerca di base e ricerca applicata, dell'intelligenza collettiva e dell’accesso aperto a dati e risultati scientifici. Abbiamo compreso come le grandi sfide non possono essere affrontate da singoli scienziati che lavorano meticolosamente nelle loro nicchie, ma che è essenziale un dialogo tra le STEM e le scienze sociali.
Abbiamo compreso la cruciale importanza di servizi pre-print ad accesso aperto come bioRxiv e Medrxiv, dove sono stati pubblicati gran parte degli studi che hanno fatto luce sulla natura del virus e dei vaccini. Abbiamo compreso l’importanza di piattaforme scientifiche come GISAID e NCBI SARS-CoV-2 Resources, che forniscono accesso aperto ai dati genomici relativi al virus. Nonostante la pandemia abbia determinato una minore enfasi nella ricerca in aree non-COVID, il 2020 è stato anche l’anno di numerose innovazioni nel campo delle biotecnologie in agricoltura. La pubblicazione dei pangenomi del grano e dell’orzo1,2, l'implementazione del sistema CRISPR-Cas12b per il genome editing nel riso3, la scoperta di nuovi termosensori a RNA nelle piante4 etc... Questi sono solo alcuni degli esempi delle grandi conquiste delle agrobiotecnologie nel 2020. Quali tendenze agrobiotecnologiche, dunque, aspettarsi in un mondo post-pandemico? Noi di Progetto Bio[Tecno]Logico vi proponiamo tre tendenze da tenere d’occhio, capaci di rivoluzionare le biotecnologie in agricoltura.
Cellula per cellula, gene per gene: un nuovo atlante delle cellule vegetali
Immaginate di dover comporre un puzzle di 32000 pezzi. Questo è il puzzle genetico necessario (ma non sufficiente) per costruire una singola cellula di mais. E immaginate adesso di dover comporre questo puzzle per 12525 cellule che costituiscono una pianta di mais di 5-10 millimetri di lunghezza nelle primissime fasi dello sviluppo. “E’ impossibile!” direbbe persino Phileas Fogg, il protagonista de “Il giro del mondo in 80 giorni” di Jules Verne. I genetisti delle piante di Cold Spring Harbor Laboratory (New York, USA) stanno sfruttando la genomica a singola cellula per mappare l’espressione dei geni coinvolti nello sviluppo delle piante. In uno studio recente pubblicato su Developmental Cell, il gruppo di David Jackson ha estratto singole cellule da piante di mais in sviluppo e mediante la tecnologia del sequenziamento dell'RNA a singola cellula (scRNA-seq) ha costruito un atlante dell'espressione genica specifico per ciascuna cellula5. Perchè questo è rivoluzionario? Le cellule sono le unità fondamentali di un organismo, e nelle piante mediano la produzione, il trasporto e lo stoccaggio delle nostre fonti alimentari primarie, oltre a sequestrare la maggior parte del carbonio rilasciato nell'atmosfera. Identificare quali geni vengono accesi o spenti in ciascuna cellula durante lo sviluppo è cruciale per comprendere i meccanismi molecolari che stanno alla base di questi processi e per ottimizzarli mediante tecnologie di editing genomico. Questo, a sua volta, ha un impatto diretto sulla produttività e sull'adattamento delle piante, due aspetti fondamentali da tenere in considerazione per sfamare una popolazione mondiale sempre in crescita, nell'era dei cambiamenti climatici. Come sostiene il professor David Jackson "Fino a qualche anno fa, non era possibile recuperare l'informazione genetica da singole cellule. Ora si può fare, e questo è veramente entusiasmante". Sulla base delle promettenti potenzialità di questa tecnologia, è nata la Plant Cell Atlas Initiative6, un'iniziativa scientifica internazionale con l'obiettivo di descrivere lo stato di ciascun tipo cellulare nelle piante a risoluzioni sempre maggiori, facendo leva sulle continue innovazioni nel campo delle scienze omiche, delle nanotecnologie, del data science e delle tecniche di imaging. L'iniziativa è solo agli albori, ma potrebbe fornire strumenti essenziali per ricomporre i puzzle complessi di sistemi biologici altrettanto complessi come le piante.
“Si-può-fare!”: le nuove frontiere della biologia sintetica nelle piante
Due decenni dopo la pubblicazione del genoma di Arabidopsis thaliana, il primo organismo vegetale ad essere sequenziato, la genomica si pone un obiettivo molto ambizioso: sintetizzare genomi di organismi vegetali de novo. Sembra un'idea di fantascienza, degna di un film di Stanley Kubrick, ma la biologia sintetica negli ultimi 10 anni ha fatto passi da gigante. Nel 2010, gli scienziati del J. Craig Venter Institute a La Jolla (California, USA) sono riusciti a sintetizzare un genoma "minimo" di 1079 kilobasi del batterio Mycoplasma mycoides7, a cui ha fatto seguito, nel 2019, il gruppo di Jason Chin del MRC Laboratory of Molecular Biology a Cambridge (UK) con la sintesi del primo genoma sintetico di un altro batterio, Escherichia coli8. Il consorzio scientifico internazionale Synthetic Yeast 2.0 (SC2.0), coordinato dal Prof. Patrick Cai dell'Università di Manchester (UK), sta completando la sintesi di 16 cromosomi e di un "neocromosoma" del lievito Saccharomyces cerevisiae9. Inoltre, nel 2016 circa 200 scienziati da 16 paesi hanno dato vita al Genome Project-write (GP-write) Consortium10, un progetto internazionale che mira a ottimizzare i processi di sintesi del genoma in diversi tipi cellulari. Per i genomi complessi delle piante l'impresa è più difficile, ma diversi gruppi - tra cui quello di Nicola J. Patron all'Earlham Institute a Norwich, UK - hanno messo a punto dei sistemi per l'assemblaggio di molecole di DNA sintetiche nelle piante che possano fungere da elementi funzionali, come i promotori11. A cosa servirebbe un genoma sintetico nelle piante? La produzione di grano in grado di fissare l'azoto atmosferico e di riso con meccanismo fotosintetico C4, la progettazione di nuovi pathway metabolici per aumentare la produzione di metaboliti secondari, la modifica del processo di glicosilazione per favorire la produzione di proteine terapeutiche etc...Questi sono solo alcuni dei potenziali applicativi della biologia sintetica nelle piante. E non ci resterà che dire: “Si-può-fare!”.
Verso la domesticazione de novo dei parenti selvatici delle colture
Le prospettive dei sistemi agricoli attuali sono ben noti: i cambiamenti climatici, l’erosione dei suoli e il depauperamento delle risorse e della biodiversità stanno minacciando la sicurezza alimentare e lo sviluppo sostenibile. Urge dunque sviluppare strategie sostenibili per il miglioramento delle colture. I parenti selvatici delle colture rappresentano un reservoir importante di diversità genetica che potrebbe potenzialmente essere introdotto nei nostri sistemi agroalimentari. Tuttavia, i parenti selvatici sono anche detentori di molte caratteristiche indesiderate, come la forte abscissione dei semi, la dimensione piccola dei semi e la loro dormienza, che sono stati migliorati durante il processo millenario della domesticazione. Nel 2018, il gruppo di Zachary Lippman a Cold Spring Harbor Laboratory ha implementato una tecnologia basata su Crispr-Cas9 per favorire i caratteri associati alla domesticazione in Physalis pruinosa, una coltura orfana con caratteristiche agronomiche molto simili a Solanum pimpinellifolium, l’antenato selvatico del pomodoro12. Più recentemente, gli scienziati del Chinese Academy of Sciences (Beijing, China) hanno messo a punto un sistema di genome-editing per la domesticazione de novo del parente allotetraploide del riso, Oryza alta13. L’utilizzo delle tecnologie di genome-editing per accelerare la domesticazione dei parenti selvatici delle colture potrebbe aprire la strada verso una nuova rivoluzione agricola, in grado di soddisfare le crescenti esigenze nutritive della popolazione globale e di garantire l’adattamento ai cambiamenti climatici e la salvaguardia della diversità genetica.
E se è vero che “Non esistono miracoli nella produzione agricola, nè esistono varietà miracolose che possano servire come elisir per curare tutti i mali di un’agricoltura tradizionale stagnante”, come sosteneva Norman Borlaug14, le innovazioni nel campo della genomica e della biologia sintetica potrebbero aprire la strada verso una nuova era nel miglioramento delle colture. Ma la vera domanda che noi di Progetto Bio[Tecno]Logico ci poniamo è: riusciranno i nostri quadri normativi a stare al passo delle frontiere biotecnologiche?
A corredo dell'articolo consigliamo di A. MICHELE STANCA:
La scienza e le biotecnologie vegetali saranno pronte per assicurare alimenti alla popolazione mondiale del 2050? Prima parte
La scienza e le biotecnologie vegetali saranno pronte per assicurare alimenti alla popolazione mondiale del 2050? Seconda parte
BIBLIOGRAFIA
1Walkowiak, S. et al. Multiple wheat genomes reveal global variation in modern breeding. Nature 588, 277–283 (2020).
2Jayakodi, M. et al. The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding. Nature 588, 284–289 (2020).
3Ming, M. et al. CRISPR–Cas12b enables efficient plant genome engineering. Nat. Plants 6, 202–208 (2020).
4Lin, J., Xu, Y. & Zhu, Z. Emerging Plant Thermosensors: From RNA to Protein. Trends Plant Sci. 25, 1187–1189 (2020).
5Xu, X. et al. Single-cell RNA sequencing of developing maize ears facilitates functional analysis and trait candidate gene discovery. Dev. Cell (2021) doi:10.1016/j.devcel.2020.12.015.
6Plant Cell Atlas. https://www.plantcellatlas.org/.
7Hutchison, C. A. et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 351, (2016).
8Fredens, J. et al. Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome. Nature 569, 514–518 (2019).
9Building better yeast. Nat. Commun. 9, 1939 (2018).
10GP-write Consortium. The Center of Excellence for Engineering Biology https://engineeringbiologycenter.org/gp-write-consortium/.
11Cai, Y.-M. et al. Rational design of minimal synthetic promoters for plants. Nucleic Acids Res. 48, 11845–11856 (2020).
12Lemmon, Z. H. et al. Rapid improvement of domestication traits in an orphan crop by genome editing. Nat. Plants 4, 766–770 (2018).
13Yu, H. et al. A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice. Cell 0, (2021).
14The Nobel Peace Prize 1970. NobelPrize.org https://www.nobelprize.org/prizes/peace/1970/borlaug/lecture/.
Sessen Daniel Iohannes
E' allieva alla Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, dove si sta specializzando in Scienze Agrarie e Biotecnologie Vegetali. Ha di recente iniziato una collaborazione alla ricerca presso il gruppo di genetica delle piante alla Scuola Superiore Sant'Anna. E' membro dell'American Society of Plant Biologists (ASPB) ed è tra i coordinatori di Progetto Bio[Tecno]Logico, un'iniziativa di divulgazione scientifica promossa dagli studenti dei tre atenei di Pisa per rendere più accessibile il dibattito sulle biotecnologie.
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