Il ruolo delle Biotecnologie per migliorare la Food Security
Iconflitti, gli shock economici, gli eventi climatici estremi e l’aumento dei costi di produzione sono tutti fattori che concorrono nel creare una crisi alimentare globale. Ben 783 milioni di persone soffrono la fame cronica in diversi paesi. Cosa possiamo fare per risolvere la situazione?
La disponibilità di cibo nel mondo
Un parametro utilizzabile (seppur non completo) è quello dell’apporto calorico medio per individuo. I dati più utilizzati sono quelli della FAO, periodicamente aggiornati dal 1961.
Globalmente il consumo di cibo è aumentato, soprattutto in paesi come Asia e Africa. Possiamo quindi affermare, al contrario di come si sente spesso dire, che il progresso economico e tecnologico ha portato dei cambiamenti nella produzione alimentare e nella diffusione di modelli di consumo in tutto il mondo.
Nonostante ciò la malnutrizione rimane uno dei più gravi problemi di salute pubblica a livello globale, con conseguenze devastanti per individui, famiglie e intere comunità.
Va sottolineato il fatto che non è solo la quantità, ma la qualità e la varietà di nutrienti importanti che vengono assunti. La carenza di nutrienti può causare molte malattie nel corpo e nella mente, e, nel caso dei bambini, il gruppo più vulnerabile di età, la situazione peggiora.
Fonte (1)
Migliorare l'approvvigionamento alimentare
Con l’aumento della produttività, nei paesi occidentali le carestie sono ormai un lontano ricordo, cercare di aumentare quindi la produttività dei paesi emergenti risulta essere la strada da percorrere in quanto cruciale per affrontare il problema legato alla fame nel mondo.
Per coltivare servono principalmente terra e manodopera; per raggiungere un sistema globale che funzioni in maniera efficiente bisogna raggiungere alti livelli di produttività per entrambi gli input.
Nei paesi con economia emergente gran parte della popolazione si dedica all’agricoltura (in parte per fini di autoconsumo), ma con produttività molto basse andando a generare un circolo vizioso di povertà.
Gli agricoltori, spesso costretti a lavorare su piccole aziende agricole a conduzione familiare, producono poco cibo per ogni ora di lavoro e, di conseguenza, guadagnano molto poco. Questa bassa produttività impedisce loro di investire in una migliore istruzione, in servizi sanitari adeguati o in altre opportunità economiche che potrebbero migliorare le condizioni di vita e ridurre la dipendenza dall'agricoltura.
Fonte (2)
In questo contesto le biotecnologie ( sia di vecchia che nuova generazione come OGM e TEA) potrebbero essere un ottimo strumento per riuscire ad aumentare la produttività del sistema agroalimentare globale (a parità di ettari utilizzati), anche in condizioni ambientali avverse e contribuendo anche alla riduzione di carenze alimentari specifiche laddove necessario.
Andiamo ora ad analizzare delle possibili modificazioni genetiche per tale scopo, ma facendo prima delle doverese introduzioni di alcuni meccanismi biochimici.
Fotorespirazione
La fotorespirazione è un processo metabolico inefficiente che si verifica nelle piante quando l'enzima RuBisCO fissa l'ossigeno (O₂) invece del diossido di carbonio (CO₂). Questo processo è comune in condizioni di alta temperatura o siccità, condizione in cui le piante chiudono gli stomi per conservare acqua, aumentando così il rapporto O₂/CO₂ nelle foglie. La fotorespirazione consuma energia e carbonio senza tuttavia produrre zuccheri, rendendo la fotosintesi meno efficiente.
Piante C3 e C4: Un'introduzione e Adattamenti alla Fotorespirazione
Fotosintesi C3: Le piante C3 sono chiamate così perché il primo prodotto stabile della fotosintesi è una molecola a tre atomi di carbonio, il 3-fosfoglicerato (3-PGA). Questo processo si attua nel ciclo di Calvin, all'interno dello stroma del cloroplasto. L'enzima RuBisCO (ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi ossigenasi) catalizza la fissazione della CO₂, ma può anche legarsi all'ossigeno (O₂), soprattutto quando i livelli di O₂ sono alti o quelli di CO₂ sono bassi, portando alla fotorespirazione. La maggior parte delle piante che crescono in condizioni temperate appartiene a questo gruppo.
Fotosintesi C4: Le piante C4, come il mais e la canna da zucchero, hanno evoluto un meccanismo alternativo per la fotosintesi, particolarmente efficiente in condizioni di alta temperatura e luce intensa. In queste piante, la fissazione iniziale della CO₂ avviene nelle cellule del mesofillo tramite l'enzima PEP carbossilasi, che incorpora CO₂ in un composto a quattro atomi di carbonio, l'ossalacetato. Questo composto viene successivamente trasportato alle cellule della guaina del fascio, dove rilascia CO₂ per il ciclo di Calvin, riducendo la fotorespirazione e aumentando l'efficienza dell'uso dell'acqua.
Meccanismo delle Piante C4 per Ridurre la Fotorespirazione
Le piante C4 hanno sviluppato un meccanismo che riduce la fotorespirazione concentrando la CO₂ nelle cellule della guaina del fascio dove avviene la fotosintesi.
La modifica genetica delle piante C3 per farle diventare C4 potrebbe aumentare significativamente la loro produttività nei climi aridi come quelli dell'Africa. Questo perché le piante C4 sono più efficienti nell'uso dell'acqua e meno soggette alla fotorespirazione, la qual cosa consente loro di prosperare in condizioni di stress termico e idrico.
Fonte: Biochimica e biologia molecolare delle piante-Bob B Buchanan Wilhelm Gruissem Russell Jones
Biotecnologie e genome editing: come è possibile editare le piante?
La trasformazione delle piante C3 in piante C4 rappresenta una delle sfide più ambiziose della biotecnologia moderna. La chiave di questo processo risiede nella creazione di una separazione spaziale delle fasi della fotosintesi presente nelle piante C4, al contrario delle C3, che non possiedono questa organizzazione spaziale, e tutto il processo fotosintetico si svolge all'interno dello stesso tipo di cellule.
Ingegnerizzazione di una Fotosintesi C4 a Due Cellule
Per creare una fotosintesi C4 a due cellule nelle piante C3, è necessario procedere a diverse modifiche genetiche e anatomiche. Innanzitutto, bisogna indurre l'espressione specifica di geni associati alla fotosintesi C4 nelle cellule appropriate, come ad esempio i geni che esprimono la PEP carbossilasi. Inoltre è necessario aumentare il numero di fasci vascolari e ingrandire le cellule della guaina del fascio, che devono contenere un numero maggiore di cloroplasti per poter svolgere efficacemente la fotosintesi.
Un altro aspetto importante è l'introduzione del ciclo C4 NADP-ME, che coinvolge una serie di enzimi specifici che facilitano il trasporto e la concentrazione del CO₂ nelle cellule della guaina del fascio.
Per arrivare a questo risultato è fondamentale identificare e manipolare gli elementi regolatori chiave che controllano lo sviluppo delle caratteristiche C4. Questo include l'uso di tecniche di sequenziamento (NGS) di nuova generazione e tecnologie per mappare i geni e le reti regolatorie coinvolte nella fotosintesi C4.
fonte (3)
Casi studio: Come l’ingegneria genetica ha migliorato l’apporto di nutrienti
Pur essendo la malnutrizione uno dei principali problemi di salute nel mondo, esistono molti contributi virtuosi nell’utilizzo delle biotecnologie.
Ad esempio:
- Un team di ricercatori delle università di Ginevra, ETH Zurigo e National Chung Hsing di Taiwan ha sviluppato una varietà di riso biofortificato con livelli significativamente aumentati di vitamina B1 (tiamina). Questo riso biofortificato mira a contrastare le carenze di vitamina B1, particolarmente diffuse nelle regioni dove il riso è un alimento base.
- In Mozambico, un intervento basato sull'introduzione di patate dolci arricchite con beta-carotene (un precursore della vitamina A) ha significativamente aumentato l'in-take di vitamina A e le concentrazioni di retinolo sierico nei bambini.
- Il Golden Rice è una varietà di riso geneticamente modificato (in maniera similare alle patate dolci sopracitate) progettata per combattere la carenza di vitamina A, una piaga che colpisce milioni di persone in alcune zone dell'Asia.
Quest’ultimo è diventato famoso a livello globale grazie alla sua potenziale capacità di salvare vite umane e migliorare la nutrizione in aree dove il riso è l'alimento principale. Il Golden Rice rappresenta un esempio significativo di come la biotecnologia possa essere utilizzata per affrontare problemi di Food Security.
fonte (4)
Conclusioni
Gli stati membri dell’Unione Europea ha sempre mantenuto una posizione poco rivolta a incoraggiare l’utilizzo delle tecniche di genetic engeneering mentre i paesi membri per erronea interpretazione o tornaconto elettorale hanno boicottato il loro utilizzo.
Tuttavia, questa chiusura appare piu che mai assurda, antiscientifica se si considerano i potenziali benefici delle biotecnologie.
Tale rigidità non solo limita l'adozione di innovazioni, ma ostacola anche la ricerca scientifica, che potrebbe portare alla creazione di prodotti che porterebbe enormi vantaggi alle popolazioni vulnerabili.
Per fortuna, le nuove genome-editing techniche come la CRISPR/CAS9 - che consente modifiche precise creando rotture a doppio filamento in posizioni specifiche del DNA, permettendo l'editing genico mirato, hanno di fatto soppiantato metodi più vecchi, sono molto promettenti perché rappresentano una combinazione di semplicità, velocità, costo-efficacia, versatilità, precisione, capacità di multiplexing e ampia applicabilità con un potenziale significativo per futuri progressi in molteplici discipline.
Tali tecniche pertanto sono un valido alleato per mitigare la malnutrizione e traghettare i paesi emergenti verso una migliore e più produttiva agricoltura.
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