GENOME EDITING E AGRICOLTURA: LE PROMESSE DELLE TEA PER UN FUTURO SOSTENIBILE

di GIANFRANCO PELLEGRINI

Introduzione

Il fine ultimo, più o meno consapevole, delle Scienze è sempre stato quello di poter comprendere le regole che stanno alla base dell’universo e di tutto ciò che in esso è contenuto. Tale fine non è solo dettato dalla curiosità, innata nella nostra specie, di capire ma ha sempre avuto come obiettivo quello di poter predire, e quindi guidare, gli eventi in modo da farli avvenire in maniera desiderata, affinché rappresentino un vantaggio. Galileo Galilei ci ha insegnato che il libro della natura è scritto in linguaggio matematico, cioè attraverso regole, definite e rigorose. Lo studio della trasmissione dei caratteri da una generazione alla successiva ha preso il nome di “Genetica” che rappresenta quindi una scienza. Con Gregor Mendel tale scienza ha iniziato a decifrare e/o scoprire le regole di base.

Da Mendel in poi vi sono stati grandi, grandissimi progressi nel cercare di definire in maniera sempre più precisa la natura di tali regole; la letteratura e le ricerche in tal senso sono sterminate ed ognuna ha portato a dei progressi.Tra gli organismi più studiati e sperimentati vi sono naturalmente le piante, fondamentali per il sostentamento e la sopravvivenza della nostra specie.Attraverso tecniche guidate di incrocio, reincrocio, test cross e/o agenti mutageni, …ecc. si sono ottenute tutta una serie di nuove cultivar, appartenenti alle più diverse specie vegetali, enormemente migliorate sotto i vari aspetti agronomici rispetto a quelle esistenti appena un secolo fa; il balzo in avanti è stato enorme.

Metodologia

Vi è sempre stato però un problema di fondo: “molti dei metodi per introdurre tratti desiderabili nelle colture o per produrre colture del tutto nuove si affidano in qualche misura al caso (Michael Marshall/nature)”. L’altro grande problema è rappresentato dal fatto che nel voler introdurre una qualche caratteristica (carattere e/o resistenza ecc.) in cultivar già esistenti in molti casi da secoli, è che con le tradizionali tecniche genetiche a disposizione si corre il rischio (molto concreto) di perdere la cultivar di partenza in quanto con l’incrocio sessuale e la successiva ricombinazione dei caratteri si crea qualcosa di nuovo che non è più quella cultivar.

Tradizionalmente l’operazione si svolge, a grandi linee, nel seguente modo:

• si identifica, nell'ambito della stessa specie, un carattere che si vuole introdurre in una cultivar che ha già buone/ottime caratteristiche ma è carente ad es.nella capacità di difendersi nei confronti di una malattia, 

• si incrocia con la cultivar di partenza, 

• si procede alla selezione di progenie che hanno introdotto nel loro genoma quel determinato carattere, 

• attraverso varie tecniche, propagazione vegetativa o raggiungimento della omozigosi ecc., si stabilizza la nuova varietà, 

• risultato: è stato utilizzato un numero, più o meno grande, di anni per giungere, nella stragrande maggioranza dei casi, se non nella totalità, ad introdurre un determinato carattere ma è stata persa la cultivar di partenza.

Un altra possibilità, ampiamente sfruttata, è quella di effettuare un gran numero di incroci, partendo da cultivars già esistenti utilizzate come parentali, e selezionando via via le progenie di questi, sperando che per effetto del caso, (si parla più precisamente di effetti probabilistici) si riesca ad ottenere cultivars che presentino dei vantaggi rispetto ai parentali di partenza.Speranze che a volte si sono verificate (e si verificano) portando ad eventuali grandi benefici.

Ci troviamo, tuttavia,  nella urgente necessità di rispondere alle seguenti domande:

• fabbisogno alimentare della popolazione mondiale in continua crescita,

• necessità di non aumentare l'uso di suolo,

• ridurre input chimici (trattamenti) in un contesto di cambiamenti climatici molto evidenti.

L’ideale sarebbe avere la possibilità, come in una favola, di poter costruire in laboratorio e introdurre tratti di genoma che diano la possibilità, una volta espressi in una pianta, di rendere le nostre aspettative reali e immediate. Un valido aiuto ci proviene dalle tecniche di ingegneria genetica (genome editin). In vasti strati dell'opinione pubblica (non addetta ai lavori) la dicitura “genome editing” evoca la sigla OGM (organismi modificati geneticamente) con tutti i timori, le paure ed il terrore che tale dicitura assume, dimenticando o non sapendo che buona parte degli alimenti che diamo in pasto ai nostri animali domestici, dei quali ci nutriamo,provengono da coltivazioni OGM, che possiamo importare, permesse nei paesi produttori (U.s.a., Spagna, Portogallo, Oriente ecc.) ma non permesse, come coltivazione, nel nostro paese.

Il problema principale è che si introducono all’interno di una specie tratti di genoma esogeni (estranei) a tale specie saltando la consueta e normale via sessuale; causando conseguentemente allarme sociale.

La trattazione degli OGM esula da questo contesto e ci fermeremo qui. Esiste, attualmente, un’altra via per razionalizzare e velocizzare il processo di inserimento di segmenti di genoma utili in una specie vegetale che non utilizza parti di genoma esogeni a tale specie ma che sarebbe possibile ottenere in modo naturale (attraverso la normale via di riproduzione sessuale all’interno della specie) in modalità casuale e con tempi più o meno lunghi.

Risultati

In Inglese è conosciuta come NGT (New Genomic Techniques)" o "NGTs (New Genomic Technologies)", mentre in Italia è stata etichettata come TEA (Tecnologie di Evoluzione Assistita): vediamo, brevemente, di cosa si tratta.

• Cisgenesi: introduzione nel genoma di un organismo di tratti di DNA provenienti, inalterati, da specie sessualmente compatibili [Miglioramento genetico delle piante agrarie (Edagricole). Inserimento, in laboratorio nella cultivar di interesse, di un gene proveniente da una pianta sessualmente compatibile, senza effettuare alcuna modifica (modificato da: Shouten 2009).

• Intragenesi: introduzione nel genoma di un organismo di tratti di DNA assemblati in laboratorio provenienti da specie sessualmente compatibili combinando sequenze codificanti e di controllo (promotori e terminatori) per ottenere il tipo di espressione desiderato o anche il silenziamento di un gene [Miglioramento genetico delle piante agrarie (Edagricole)].

Con queste tecniche d’ingegneria genetica è possibile trasferire, nella cultivar di interesse, un gene che proviene da una specie sessualmente compatibile e che potrebbe essere trasferito anche con l'incrocio sessuale; in altre parole acceleriamo un processo che potrebbe comunque avvenire per via naturale non andando in alcun modo a modificare la natura genetica della pianta.

Se volessimo per esempio trasferire un gene di resistenza alla peronospora in un Sangiovese (vitigno) potremo fare un incrocio sessuale con una vite selvatica che possiede tale resistenza ma perderemmo il Sangiovese come già evidenziato sopra.

Diversamente se introduciamo nel Sangiovese, tal quale, soltanto il gene di resistenza abbiamo, come per miracolo (i veri miracoli), ottenuto in via immediata il Sangiovese resistente alla peronospora senza introdurre parti di genoma esogeni.

Queste tecniche sono importanti in quanto vengono messe in contrapposizione alla transgenesi (tecnica OGM), dando luogo ad una procedura più soft che altera meno il genoma perché non ci sono sequenze batteriche né sequenze di linee virali . Inoltre rappresenta per la pubblica opinione e per quella parte della politica deputata a prendere decisioni in materia, un qualcosa di naturale e come tale percepito come non terrorizzante e pericoloso.

• Nucleasi sito specifiche: endonucleasi artificiali (costruite in laboratorio) in grado di tagliare il DNA (la doppia elica) in vivo in siti specifici; vengono anche indicate come come SSN (nucleasi sito specifiche) o SDN (nucleasi sito dirette) [Ricordiamo che le nucleasi, distinte in esonucleasi e ed endonucleasi, sono enzimi in grado di tagliare gli acidi nucleici rompendo il legame fosfodiesterico tra due nucleotidi adiacenti] .

In ordine temporale sono state introdotte:

• Meganucleasi,
• nucleasi Zinc Finger
• nucleasi TALE
• nucleasi CRISPR-CAS9.

Questi enzimi, che potremmo paragonare a degli operai specializzati, sono in grado, in generale, di riconoscere sequenze specifiche di Acido desossiribonucleico (DNA) e tagliarlo; rompendo di fatto il DNA. Tale rottura porta la cellula a cercare di ricomporre la doppia elica attingendo al materiale genetico già presente all’interno della stessa. Attraverso tecniche particolari con varie modalità, per le quali rimandiamo a testi specifici riportati in bibliografia, i ricercatori sono in grado di far inserire, in tale tentativo di riparazione cellulare, sequenze geniche target che quindi saranno inserite ex novo nel genoma cellulare e che daranno luogo ad una data espressione genica voluta ex-ante. Particolare risonanza nel mondo scientifico ha avuto lo sviluppo della tecnologia CRISPR/Cas9, definito anche il taglia e cuci del DNA, che ha fruttato il premio Nobel alle due scienziate Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna.

“Solo l’immaginazione può porre dei limiti alle sue applicazioni” ha spiegato l'Accademia svedese delle scienze per motivare il premio, spiegando che Charpentier e Doudna hanno “scoperto uno degli strumenti più efficaci della tecnologia genetica.

Conclusioni

Con l’avvento delle Tecnologie di Evoluzione Assistita (TEA), si aprono scenari completamente nuovi e carichi di grandi speranze per il futuro dell’agricoltura e non solo. Queste tecnologie rappresentano una svolta epocale nel modo in cui possiamo migliorare le colture, permettendo di introdurre caratteristiche desiderate con una precisione e una rapidità senza precedenti, pur mantenendo l'integrità genetica delle varietà esistenti. Le TEA offrono soluzioni concrete a problemi globali urgenti come l’aumento della domanda alimentare, la necessità di preservare le risorse naturali e la riduzione dell’impatto ambientale delle pratiche agricole. Attraverso approcci come la cisgenesi e l’intragenesi, è possibile ottenere miglioramenti significativi nelle colture, mantenendo al contempo un approccio etico e socialmente accettabile alla modifica genetica. Tuttavia, mentre celebriamo questi progressi, è fondamentale continuare a valutare con rigore scientifico le implicazioni a lungo termine delle TEA. La ricerca dovrà concentrarsi non solo sull’efficacia di queste tecnologie, ma anche sulla loro sicurezza e sostenibilità. Sarà necessario un dialogo aperto e trasparente con la società e una regolamentazione attenta che garantisca un equilibrio tra innovazione e sicurezza.

In definitiva, le Tecnologie di Evoluzione Assistita ci offrono una potente chiave per affrontare le sfide agricole del futuro, ma il loro successo dipenderà dalla nostra capacità di utilizzarle in modo responsabile, per il bene comune e per la salvaguardia delle generazioni future.

Bibliografia:

• Miglioramento genetico delle piante agrarie (Edagricole autori vari)
• Genetica e genomica vol. III (Liguori Editore di Barcaccia e Falcinelli)
• Genetica Umana e Medica (ed.Edra di Neri e Genuardi)
• Storia e geografia dei geni umani (ed. Gli adelfi di Cavalli-Sforza, Menozzi, Piazza)
• “Ecco come CRISPR potrà portare a nuove colture agricole” (Le Scienze/Nature di Michael Marshall)

Gianfranco Pellegrini

Dott.  in "Scienze Agrarie" abilitato all'esercizio della professione, laurea conseguita presso l'Università degli Studi di Firenze. Ha svolto la sua attività prevalentemente nei settori dell'orticoltura, floricoltura, con particolare riguardo al reparto economico. Docente con incarichi temporanei, presso scuole superiori, di Chimica e Tecnologie Chimiche industriali, Economia Aziendale e Economia Politica. Docente di ruolo di Matematica e Scienze. Da svariati anni si interessa di Genetica e miglioramento genetico di specie di interesse agrario con particolare riguardo agli aspetti matematici/statistici.