Biologia sintetica e agricoltura

L’agricoltura ha sempre storicamente beneficiato delle innovazioni derivate dalla ricerca nell’ambito delle scienze della vita, tanto che si stima che l’incremento registrato nella produttività delle coltivazioni più diffuse sia da attribuire almeno al 50% alla sola genetica applicata in campo, con possibilità di incrementare ulteriormente il contributo della genetica con le nuove tecnologie di editing genetico.

Numerosi ricercatori stimano che l’agricoltura, più di altri ambiti quali la produzione farmaceutica e industriale, sarà il settore che beneficerà per prima delle scoperte della biologia sintetica. Ad esempio, la biologia sintetica può intervenire nella realizzazione di batteri in grado di produrre metaboliti necessari alla pianta con la possibilità che tali microorganismi siano inseriti nelle piante come endofiti, ovvero batteri che vivono all’interno della pianta come simbionti. Questi batteri possono avere proprietà benefiche in termini di promozione della crescita della pianta attraverso meccanismi quali l’azoto-fissazione*, la produzione di molecole con azione stimolante sull’accrescimento (come l’acido indolacetico), la solubilizzazione dei fosfati o l’antagonismo verso gli agenti patogeni microbici.

Vi sembra fantascienza? In realtà non tanto e per toccare con mano cosa si può fare potete, ad esempio, andare sul sito dell’azienda americana Ginko Bioworks e vedere i progetti in corso per la produzione di microorganismi utili per la riduzione degli input in agricoltura (tra cui ad esempio i fertilizzanti) oppure pensare di progettare il batterio utile per il vostro progetto ricorrendo all’ingegneria metabolica.

What if agriculture could be redesigned from the ground up? Joyn Bio, a joint venture between Ginkgo Bioworks and Leaps by Bayer, is engineering plant microbes to solve growers’ greatest challenges. Strain Improvement For Sustainable Agriculture

Questa fase di ri-progettazione è ben più di una applicazione biotecnologica. L’idea della biologia sintetica è ben oltre le biotecnologie tradizionali che da decenni aggiungono geni ad un genoma. Quello che la biologia sintetica può permetterci oggi di fare è un vero e proprio makeover del genoma di un batterio, ovvero una vera e propria riscrittura del genoma di un microorganismo al fine di programmarlo per fare ciò che ci può servire in laboratorio così come in altri contesti.

Non ci credete? Vi consiglio allora di leggere l’ottimo articolo dal titolo”Emerging opportunities for synthetic biology in agriculture” pubblicato dai ricercatori Hugh Douglas Goold, Philip Wright e Deborah Hailstones sulla rivista scientifica internazionale Genes. L’articolo illustra numerosi ambiti applicativi della biologia sintetica all’agricoltura arrivando sino alle ultime possibilità fornite dal genome editing, inteso come processo di modificazione mirata del genoma. In merito a questo ultimo punto, tra le applicazioni più interessanti c’è sicuramente la possibilità di integrare l’esperienza accumulata sui biosensori (batteri ingegnerizzati in modo da rispondere a specifici segnali, tra cui ad esempio la presenza di inquinanti nel suolo) e la produzione di piante geneticamente modificate. Da questa fusione potranno derivare piante in grado di fungere da biosensori, intesi come vere e proprie piante sentinelle in grado di rilevare e segnalare la presenza di specifici inquinanti, agenti stressogeni o altri fattori ambientali.

One interpretation of synthetic biology could be that it is a reductionist view of biology through the lens of an engineer. By looking at a cell as a collection of inputs, processes and outputs it is possible to view the cell as one views circuit diagrams. (Hugh Douglas Goold,Philip Wright eDeborah Hailstones, Genes, 2018)

Un ulteriore ambito di applicazione è legato alla bioremediation, da intendere come un vero e proprio processo di biorisanamento, in cui batteri ingegnerizzati possono favorire l’eliminazione di inquinanti dall’ambiente e tra questi può essere incluso anche il rame, oggi ancora ampiamente utilizzato nonostante gli effetti avversi su organismi del suolo riportati in letteratura scientifica .

Solo luci senza ombre? Ci sono sicuramente numerosi aspetti che devono essere normati, così da trovare un equilibrio tra l’entusiasmo dell’industria verso queste nuove tecnologie e la diffidenza che il pubblico potrebbe avere verso la biologia sintetica, come già accaduto per gli OGM. Il mercato dei fertilizzanti è stimato essere pari a circa 160 miliardi di dollari ogni anno, per cui è comprensibile che nuove aziende biotecnologiche puntino ad una fetta di questa torta, resta tuttavia che l’introduzione in campo di specie geneticamente manipolate (siano esse batteri o piante) deve essere accuratamente verificata al fine di evitare che verso la biologia sintetica si generi lo stesso clima di avversione già sperimentato verso le biotecnologie vegetali dagli anni ’80 ad oggi.

It is also important for primary industries to remain aware of consumer attitudes towards genetic manipulation particularly in foods. (Hugh Douglas Goold,Philip Wright eDeborah Hailstones, Genes, 2018)

 

*Già il solo fatto di ottimizzare l’utilizzo dei fertilizzanti sarebbe vantaggioso per l’agricoltura. Si stima infatti che l’1% dell’energia consumata su scala mondiale sia utilizzata per produrre fertilizzanti. Fonte: Pikaar I, Matassa S, Rabaey K, Bodirsky BL, Popp A, Herrero M, Verstraete W. Microbes and the Next Nitrogen Revolution. Environ Sci Technol. 2017 Jul 5; 51(13):7297-7303.