Biotecnologie, una panoramica per un futuro più sostenibile

Cosa sono le biotecnologie?

Le biotecnologie sono una disciplina basata sull’utilizzo dei processi di vita controllata per la produzione di massa di sostanze di valore, come ad esempio l’uso industriale di microrganismi e di cellule vegetali e animali viventi per produrre sostanze, o effetti benefici per le persone come antibiotici, vitamine, vaccini, alternative alla plastica, e molto altro.

Le biotecnologie sono volte anche a mantenere il benessere ambientale con tecnologie atte, ad esempio, allo smaltimento dei rifiuti e al biorisanamento così come al miglioramento e allo sviluppo dei processi agrari e industriali per la diminuzione dell’inquinamento e la mancanza di cibo per la crescente popolazione umana (vedere le note 1,2,3).

Inoltre, lo scopo è mantenere intatti gli habitat delle creature terresti per il mantenimento della biodiversità e arrestare la scomparsa di specie a rischio.

In epoca preistorica, una forma primitiva di biotecnologia era praticata da agricoltori che hanno stabilito specie di piante e animali di migliore qualità con metodi di cross-impollinazione o incroci.

L’uso moderno delle biotecnologie include le tecnologie di coltura cellulare e tissutale e l’ingegneria genetica basandosi sulle scienze biologiche di base (ad es. biologia molecolare, biochimica, biologia cellulare, embriologia, genetica, microbiologia).

Ma vediamo nel dettaglio quali sono le biotecnologie e di cosa si occupano.

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Quali sono le biotecnologie

Red biotechnology: biotecnologie mediche, farmaceutiche e veterinarie

Le biotecnologie rosse si interessano dello sviluppo di nuovi farmaci, produzione di vaccini e antibiotici, terapie rigenerative, innovative tecniche di diagnostica e lo sviluppo di ingegneria genetica per la cura di specifiche patologie attraverso la manipolazione genetica.

Il primo farmaco biotecnologico è stata l’insulina ricombinante nel 1982 sfruttando i batteri, in questo caso Escherichia Coli, come bioreattori. Questo vuol dire che si introduce il segmento di DNA che porta l’informazione relativa alla sintesi della proteina di interesse e la si immette nel DNA del batterio così che esso possa produrre una grande quantità di quella proteina.

Questa tecnica ci consente di produrre farmaci, ormoni, proteine terapeutiche in grandi quantità e a costi molto bassi.

Un gol delle biotecnologie rosse sono i vaccini innovativi che sono stati inseriti nei protocolli sanitari per stimolare il sistema immunitario, formato da un insieme di molecole e di cellule che sono preposte al riconoscimento e alla distruzione di agenti patogeni (come virus, batteri e funghi) così come di cellule neoplastiche o in generale agenti esterni al nostro corpo.

I vaccini finora utilizzati sono composti dal virus o dal batterio inattivato o da parti di esso ma sono stati ad oggi sostituiti da vaccini innovativi più sicuri ed efficaci. I vaccini biotecnologici a DNA sfruttano l’ingegneria genetica per utilizzare dei piccoli DNA che codificano per la porzione del patogeno che viene riconosciuta e che innesca la risposta del sistema immunitario.

L’iniezione di questo specifico DNA nel corpo porta alla produzione di una gran quantità di anticorpi senza essere venuti a contatto con il patogeno stesso. Un’altra strategia è quello dei vaccini a mRNA dove si somministra direttamente mRNA (l’anello tra il DNA e la produzione delle proteine nelle cellule) che contengono le istruzioni perché le cellule della persona che si è vaccinata sintetizzino la proteina di interesse (es. proteina Spike per Covid 19) così da scatenare la risposta immunitaria in assenza di vero contagio (4).

Ad oggi queste sono tecniche vincenti sia a livello umano che in ambito veterinario.

Le biotecnologie rosse si interessano anche della produzione di farmaci antitumorali, antibiotici e antivirali basati su molecole e proteine sintetizzati naturalmente dalle nostre cellule ma fatte produrre su larga scala da batteri o funghi, così come proteine terapeutiche ad esempio quelle del sangue (proteine o fattori coinvolti nei processi della coagulazione per chi ha patologie come l’emofilia) (5,6).

Una interessante area delle biotecnologie rosse, di cui mi occupo personalmente, è la medicina rigenerativa.

Un esempio è l’utilizzo di un fattore terapeutico (fatte produrre dai batteri) per formare dei nuovi biomateriali compositi che abbiamo delle proprietà rigenerative, ad esempio a livello della pelle ma anche a livello di ossa, cartilagini, tendini per arrivare alla rigenerazione dei neuroni per ristabilire funzioni cognitive perse (7,8,9).

Infine, offrono prospettive su biosensori per applicazioni sugli uomini. Ad esempio, sensori di pressione e di tensione basati sul grafene e combinate con l’intelligenza artificiale per il ripristino dei movimenti umani, il monitoraggio in tempo reale della salute umana, o sensori meccanici smart che sono vicini alle vere funzioni della pelle umana (10).

Green biotechnology: biotecnologie agrarie o vegetali

Green o agrobiotecnologia, è l’applicazione di strumenti e tecniche per ottenere principi nutritivi e molecole terapeutiche dalle piante ma è anche una tecnologia redditizia ed ecocompatibile che abbraccia le attuali sfide della sicurezza alimentare, della sostenibilità e del cambiamento climatico che sono state esplorate dai ricercatori nel campo dell’agricoltura sostenibile.

Ad esempio, in agronomia, gli EOs (oli essenziali) sono usati come bio-antiparassitari per i loro effetti insetticidi, antifungini o battericidi, ma anche come bio-erbicidi.

Molto interessanti sono le ricerche volte ad ottenere diesel da pirolisi termocatalitica di olio di girasole ma anche di bietola, canna da zucchero, palma ecc.

Inoltre, le biotecnologie verdi si occupano di sviluppare tecniche di fitodepurazione ossia le piante possono depurare un sito accumulando inquinanti come i metalli pesanti (ad esempio, arsenico, cadmio, cromo, piombo) e in seguito alla rimozione della biomassa vegetale, il materiale contaminato può essere riciclato o smaltito.

Alcune piante possono essere usate per sostituire l’uso degli animali nella produzione di anticorpi monoclonali a scopo terapeutico e di vaccini commestibili cioè la possibilità di far produrre direttamente ad alcune piante alimentari le sostanze in grado di indurre immunità da molte malattie.

Le biotecnologie verdi promettono produzione di colture ad alta resa e ad alto contenuto nutrizionale, resistenza agli insetti, più lunga durata di conservazione.

Le colture biotecnologiche dovrebbero avere minore bisogno di acqua, fertilizzanti, erbicidi, ridotte emissioni di CO2 e N2O (crescenti minacce per il clima terrestre) ma benché sembri una buona strada non si hanno ancora pareri unanimi dalla comunità scientifica riguardo alla loro sicurezza, applicabilità e loro effetti sull’ambiente (11,12,13,14).

Yellow biotechnology: biotecnologie alimentari

Studiano la composizione e le proprietà degli alimenti ad esempio produzione di alimenti funzionali, nutraceutici, senza glutine, senza lattosio e light.

Oltre 200.000 specie di insetti dipendono dalla pianta per il cibo e nel tempo si sono evoluti per rendere meno efficaci le difese delle piante: le tossine vegetali prodotte per respingere gli erbivori.

Questi processi di disintossicazione sono codificati in vari geni. Le biotecnologie gialle sono applicate per modificare questi geni in modo che le tossine vegetali siano più efficaci e che possano tornare utili ad esempio nell’agricoltura, dove l’uso di pesticidi è ormai fuori controllo.

Un’altra esempio di utilizzo delle biotecnologia gialla è dato dalla società fondata dal Dr. Mark Post, che sta utilizzando la tecnologia di coltura cellulare in vitro su cellule staminali di vacche adulte per produrre tessuto muscolare bovino, ovvero carne di hamburger.

Sappiamo che l’industria zootecnica è una delle più inquinanti al mondo e che gran parte della responsabilità è attribuibile agli allevamenti intensivi. Le statistiche della “carne in vitro” sono esaltanti:

• L’uso del suolo è diminuito del 99%
• Le emissioni di gas serra sono diminuite del 96%
• L’uso di acqua è diminuito del 96%

L’esperimento è stato condotto nell’Università di Maastricht, nei Paesi Bassi, con 20.000 filamenti muscolari “coltivati” nel 2013. I tester hanno notato che la carne non aveva grasso o succosità, ma hanno dato un voto di 10 su 10 per la sensazione in bocca ed hanno preferito la carne in vitro a quella vegetale.

Si è stimato che il costo del primo hamburger era di 250.000 euro, forse un pò troppo caro per renderlo commerciale, ma ulteriori ricerche stanno rendendo la carne in vitro più facile da produrre e di conseguenza più economica.

White biotechnology: biotecnologie industriali

Questa branca comprende le biotecnologie atte alla progettazione di processi e prodotti innovativi con lo scopo di abbassare i costi in termini di risorse spese, energia utilizzata ed inquinamento prodotto rispetto ai processi tradizionali.

Per migliaia di anni gli esseri umani si sono affidati alla natura per tutte le cose di cui avevano bisogno: tessevano abiti e tessuti di lana, cotone o seta e li tingevano con coloranti naturali derivati ​​da piante e animali. Gli alberi erano l’unica fonte per creare mobili e arredi.

Ma tutto è cambiato durante la prima metà del ventesimo secolo, quando la chimica organica ha sviluppato metodi per creare molti di questi prodotti dal petrolio.

I polimeri sintetici derivati ​​dal petrolio hanno presto sostituito le fibre naturali nei tessuti. La plastica ha rapidamente sostituito legno e metalli in molti articoli di consumo, edifici e arredi per la casa.

Tuttavia, norme ambientali sempre più severe e la massa crescente di materiali sintetici non degradabili presenti nelle discariche, hanno reso nuovamente attraenti i prodotti biodegradabili e le biolotecnologie bianche potrebbe essere la soluzione per fare un passo indietro tornando alle materie prime naturali.

La biolotecnologia bianca utilizza cellule viventi (lieviti, muffe, batteri, piante) ed enzimi per sintetizzare prodotti che sono facilmente degradabili, richiedono meno energia e creano meno rifiuti durante la loro produzione.

Ad esempio, uno dei primi obiettivi dell’agenda delle biolotecnologie bianche è stata la produzione di plastica biodegradabile. Negli ultimi 20 anni, questi sforzi si sono concentrati principalmente sui poliesteri, che sono sintetizzati naturalmente da un’ampia gamma di batteri come riserva energetica e fonte di carbonio (quindi biodegradabili).

Uno dei principali limiti della commercializzazione di tali plastiche batteriche è sempre stato il loro costo, in quanto sono 5-10 volte più costosi da produrre rispetto ai polimeri a base di petrolio

Grey biotechnology: biotecnologie per l’ambiente e lo sviluppo sostenibile

Le biotecnologie grigie sono una parte importante della biotecnologia dedicata alla protezione delle piante, degli altri animali, dell’ambiente e dell’intera natura.

Uno dei principali topic sono l’inquinamento ambientale provocato dai rifiuti che causa la diffusione di diverse malattie, ricercando sul riciclaggio, il riutilizzo, lo smaltimento di tali rifiuti così come il mantenimento della biodiversità.

Comprendono processi quali biorisanamento, fitodepurazione, ecologia microbica e le loro attività in relazione all’ambiente.

La bioremediation (o biobonifica) può essere definita come un mezzo per ripulire gli ambienti contaminati sfruttando le diverse capacità metaboliche dei microrganismi di convertire i contaminanti in prodotti innocui.

Si tratta di un metodo di gestione dei rifiuti che impiega microbi (batteri e funghi) e piante naturalmente presenti nell’habitat per rimuovere o neutralizzare gli inquinanti provenienti da siti contaminati mentre la fitodepurazione ha come risultato la rimozione dei metalli pesanti.

Inoltre, lo sfruttamento eccessivo, l’inquinamento e la conversione dell’habitat sono le principali minacce alla diversità delle specie, causando una perdita graduale di queste a livello locale e globale. Inoltre, l’introduzione di specie in nuovi ecosistemi che causa la distruzione del naturale equilibrio, il riscaldamento globale, la crescita della popolazione e l’inquinamento aumentano continuamente la pressione sulla biodiversità.

Un esempio di applicazione delle biotecnologie grigie sono l’impiego di alcuni batteri nello smaltimento di molecole tossiche derivanti dai rifiuti, che sono in grado di massimizzare la degradazione delle grandi quantità di coloranti provenienti dall’industria tessile o degradare i rifiuti dell’industria lattiero-casearia.

Le biotecnologie grigie mirano a proteggere e a purificare l’ambiente dai contaminanti tossici e contribuisce alla prevenzione del degrado di risorse naturali preziose come il suolo, l’aria, l’acqua e le risorse minerali con metodologie eco-friendly di conservazione dell’ambiente dimostrando di avere un enorme potenziale nel controllo dell’inquinamento e nel miglioramento della vita umana e di tutte gli esseri viventi (15).

Blue biotechnology: biotecnologie marine

Gli ambienti acquatici forniscono l’ispirazione per vari prodotti come additivi alimentari, acquacoltura, biosensori, chimica verde, bioenergia, e prodotti farmaceutici isolati da microrganismi marini e fitoplancton, alghe verdi, brune e rosse, spugne, molluschi, mangrovie e altre piante studiate dalla biotecnologie blu (14).

Molto interessante è il concetto di bioraffinerie, ad esempio delle alghe marine, che presenta un modello concettuale per la produzione di prodotti ad alto valore come i biocarburanti fluidi o gassosi. Questo a sua volta riduce il costo di produzione dei carburanti attraverso la massima efficienza di utilizzo della biomassa (16).

Gold biotechnology: biotecnologie bioinformatiche e nanobiotecnologie

La bioinformatica è indispensabile per l’analisi di un’enorme quantità di dati prodotti dalla ricerca e la conseguente creazione di database a diversi contenuti come le sequenze di acidi nucleici, di interi genomi, di amminoacidi delle proteine, funzione delle proteine ecc.

Inoltre, le biotecnologie oro si occupano dello sviluppo di nuovi programmi per estrarre e analizzare i dati.

Black/Dark biotechnology: biotecnologie bioterroristiche

Denominato il “lato oscuro delle biotecnologie” il bioterrorismo riguarda l’uso deliberato di agenti biologici, microrganismi, patogeni e tossine rilasciando o diffondendo per causare danni sotto forma di malattia o morte all’uomo, alle colture, al bestiame, agli animali o all’ambiente naturale.

Gli agenti biologici utilizzati a tal fine potrebbero essere nella loro forma naturale o possono essere modificati per migliorare le loro prestazioni per causare malattie e diffondersi nell’ambiente o per renderli resistenti agli antidoti.

Pertanto, il campo delle biotecnologie nere, del bioterrorismo e delle armi biologiche è una delle maggiori preoccupazioni etiche e ha portato a varie convenzioni e trattati su scala internazionale (17).

Violet biotechnology: biotecnologie legali ed etiche

Le biotecnologie viola hanno la responsabilità fondamentale di legiferare in materia di biotecnologie, di farle approvare dal Parlamento e di mantenere tutti gli organismi nel settore della biotecnologia entro il campo di applicazione della legge, garantendo la sicurezza.

In effetti, le biotecnologie viola sono un organismo di regolamentazione che funge da mediatore per tutti i settori delle biotecnologie (18).

Orange biotechnology: biotecnologie divulgative

Il tema delle biotecnologie arancioni la riflessione su come insegnare e cosa insegnare sulle biotecnologie dato che questo è un campo piuttosto complesso con svariati collegamenti interdisciplinari.

Si occupa quindi di diffondere alla società le conoscenze, le nozioni, le scoperte e della formazione in questo settore (19).

Biotecnologie tradizionali e innovative

Le biotecnologie si possono suddividere in biotecnologie tradizionali e innovative.

• Le biotecnologie tradizionali comprendono le tecnologie produttive che vengono utilizzate da millenni. Si tratta in particolare di agricoltura, zootecnica, lo sfruttamento dei microrganismi per le attività fermentative e le trasformazioni biologiche in genere.
• Le biotecnologie innovative hanno inizio, invece, dalla scoperta del primo vaccino e da quella del meccanismo di duplicazione del DNA e infine lo sviluppo dell’ingegneria genetica traccia un confine netto tra biotecnologie tradizionali e innovative.

Biotecnologie applicate al settore tessile

Le biotecnologie sono e saranno sempre di più utilissime nel settore tessile.

La biotecnologia ha avuto un impatto positivo sull’industria tessile attraverso lo sviluppo di processi di produzione più efficienti e rispettosi dell’ambiente, oltre a consentire la progettazione di materiali tessili migliori.

Realizzare una fibra tessile comporta una moltitudine di processi e molti di questi implicano lo sfruttamento di manodopera a basso costo, l’uso intensivo di pesticidi e fertilizzanti nelle coltivazioni, e di sostanze chimiche nelle varie fasi di lavorazione di un materiale.

Immaginate di poter realizzare la fibra tessile perfetta:

• Riduce il consumo di acqua;
• Non utilizza sostanze tossiche pericolose per l’ambiente e la salute umana;
• Non implica lo sfruttamento di manodopera a basso costo;
• Non necessita di tinteggiatura e lavaggi (i processi più inquinanti);
• Si biodegrada se lasciata in natura.

E’ sbagliato pensare che sia solo utopia, perché proprio in questi anni stiamo assistendo allo sviluppo di fibre in vitro come Incredible Cotton e Feature Fibres di cui parliamo nei rispettivi articoli.

Un altro esempio è la rapida rapida evoluzione delle bioplastiche, alternative ecologiche alla plastica usa e getta.

Uno dei problemi più evidenti di questi materiali è la loro decomposizione, poiché se da una parte è vero che sono compostabili e se lasciate in natura si biodegradano in pochi anni, d’altra parte è altrettanto vero che la maggior parte di queste bioplastiche rilascia sostanze tossiche per l’ambiente, quindi, se non correttamente smaltite nella raccolta differenziata, il loro impatto ambientale è comunque notevole.

Infatti, sono ancora poche le bioplastiche che si trasformano in materiale organico senza rilasciare sostanze pericolose per l’ambiente.

Grazie alla biotecnologia oggi è possibile creare fibre in vitro, come abbiamo visto nei precedenti paragrafi con la carne coltivata in laboratorio.

Le caratteristiche tecniche e il colore di cui abbiamo bisogno per la fibra vengono assegnate alla fibra “semplicemente” utilizzando il DNA di organismi viventi. Queste fibre risultano 100% biodegradabili anche in natura, addirittura rilasciano sostanze organiche che alimentano la terra.

Pensate a tutti i vantaggi del caso: ci viene in mente la raccolta differenziata e l’accumulo di rifiuti nelle discariche diventato ormai insostenibile: la soluzione ideale non è convincere 5 miliardi di persone nel compiere quel gesto civile chiamato “raccolta differenziata”, bensì è fare in modo che “gli incivili” possano arrecare meno danni possibili e, l’unico modo per farlo, è creare prodotti biodegradabili.

Qualcuno può pensare che i tessuti naturali si comportino in questo modo, ma non è esattamente così. Se analizziamo una t-shirt in cotone, come abbiamo fatto in questo articolo sulla LCA, scopriremo che non è meglio di una t-shirt in poliestere quando lasciata in natura.

Riteniamo quindi che le biotecnologie rappresentino il futuro della moda sostenibile e dell’innovazione tessile, ma non solo.

Vediamo quindi un esempio pratico di biotecnologie applicate al tessile.

I ricercatori scozzesi stanno esplorando un nuovo processo che potrebbe vedere gli scarti della lavorazione del pesce utilizzati per creare uno dei componenti chiave nella produzione di nylon.

Gli esperti di plastica di Impact Solutions, i ricercatori di biotecnologia dell’Università di Edimburgo, il produttore di frutti di mare Farne Salmon e l’Industrial Biotechnology Innovation Center stanno impiegando enzimi biologici per estrarre i componenti grassi degli scarti di pesce.

Utilizzando la biologia molecolare avanzata, i batteri geneticamente modificati possono quindi trasformare gli scarti del pesce in una miscela di acido adipico, un precursore del nylon e di altri utili sottoprodotti.

Secondo il team di ricerca, il nuovo processo potrebbe consentire un approccio più sostenibile e circolare alla produzione di acido adipico, così da sostituire i prodotti petrolchimici e processi decisamente più dannosi per l’ambiente.

Ancora una volta le biotecnologie confermano di avere tutto il potenziale per essere partecipi nello sviluppo di una moda più sostenibile.

L’acido adipico viene anche utilizzato in articoli a base di poliuretano come isolamento degli edifici, imbottiture per mobili, cosmetici, lubrificanti, prodotti farmaceutici, additivi alimentari, aromi e nella produzione del nylon. Ne vengono prodotti ogni anno circa 2,5 miliardi di chilogrammi, principalmente come precursore per la produzione di nylon.

“Il progetto segna l’inizio di un viaggio entusiasmante per trovare un’alternativa sostenibile a un componente chiave che si trova nel tessuto dei nostri vestiti. Lo studio di fattibilità iniziale ci ha portato a un momento entusiasmante in cui possiamo iniziare a vedere il potenziale di generare valore da un materiale che altrimenti verrebbe scartato”, ha affermato Simon Rathbone, responsabile dello sviluppo di Impact Solutions.

Oltre a creare acido adipico, i ricercatori vogliono massimizzare il valore complessivo del processo esaminando altri componenti che possono essere estratti dagli scarti del pesce, come acidi grassi e oli di pesce, afferma Rathbone.

Farne Salmon (azienda fornitrice di pesce) fornisce i rifiuti utilizzati nello studio di fattibilità come parte del suo impegno per l’eliminazione dei rifiuti in discarica.

“La nostra missione è quella di essere un’azienda più sostenibile, gestendo tutti gli aspetti e gli impatti delle nostre attività quotidiane e in particolare utilizzando appieno le scarse risorse su cui incidiamo quotidianamente”, hanno affermato Labeyrie Fine Foods Environment e Project Manager Angus Forbes.

“I nostri flussi di rifiuti sono stati al centro dell’attenzione negli ultimi anni e, ove possibile, abbiamo trovato percorsi per deviarli verso aziende che hanno la lungimiranza e la tecnologia per utilizzarli come materia prima per ulteriori elaborazioni. Siamo quindi lieti di essere coinvolti in questo progetto e non vediamo l’ora di fornire ulteriore supporto in futuro”

Perché le biotecnologie sono importanti per il futuro del pianeta

L’interconnessione tra salute, ambiente, industria e agricoltura è così forte che si necessita dell’applicazione delle tecnologie a tutto tondo.

Affrontando il problema della sopravvivenza umana e il miglioramento della qualità della vita in ogni zona del mondo, sia sotto il punto di vista delle malattie che nel mantenimento degli habitat di tutte le specie terrestri e così della biodiversità, le biotecnologie sono delle ottime candidate per affrontare molti di questi problemi.

Questo approccio olistico può davvero migliorare il nostro futuro e quello delle prossime generazioni trovando soluzioni per le emergenze odierne e future, dal riscaldamento globale, alla mancanza di cibo in molte zone del mondo, alle pandemie.

In Italia esiste il progetto “Biotech, il futuro migliore” che si occupa del dialogo con le Istituzioni competenti (visto che le normative verso le biotecnologie sono obsolete) e di mettere in atto strategie di comunicazione più divulgative per creare maggiore conoscenza e consapevolezza sulle biotecnologie.

Ma è necessario un tempistico intervento con scelte etiche finalizzate a produrre beni e benessere a costi ridotti sia in termini di costi per la popolazione sia in termini di perdita degli equilibri biologici.

Ci aspettiamo quindi, di assistere quanto prima a iniziative e programmi eco-friendly che mettano in atto tecniche innovative capaci di ripristinare la salute dell’ambiente e di conseguenza quella dei suoi abitanti.

Bibliografia

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