Il futuro sta nella biologia molecolare

50 anni
Il futuro sta nella
biologia molecolare
Josef DALLA VIA, Sanja BARIC,
Centro di Sperimentazione Agraria di Laimburg
Ciascun organismo vivente si caratterizza per il fatto di possedere un patrimonio genetico individuale – l’acido desossiribonucleico (DNA). Il DNA è una molecola strutturata come
una scala a pioli a mo’ di elica o come una scala a chiocciola.
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e si separano le parti laterali di questa elica si ottengono due filamenti di DNA con le corrispondenti parti di “piolo” o “basi”.
Una molecola di DNA contiene
quattro basi diverse (Adenina, Timina, Guanina, Citosina), e la loro successione lungo il filamento origina
il cosiddetto “codice genetico”, ad
esempio TAC CTT AAG AGC GAG…
“Codice genetico” perché ogni tripletta di queste basi codifica per un
determinato aminoacido nella sintesi proteica. Così, ad esempio, la
tripletta TAC codifica per la metionina e suddetta sequenza corrisponde ad una sequenza degli aminoacidi metionina-glutamato-fenilalanina-serina-leucina nella proteina
da formare. Si tratta quindi di un
linguaggio chimico che può essere
letto e tradotto nella lingua delle
proteine. Queste ultime sono costituite da diversi aminoacidi allineati
in maniera definita, e che nel corpo assolvono a specifiche funzioni,
come ad esempio gli enzimi. Un determinato tratto di DNA, dunque
una specifica serie di basi, contiene
l’informazione per la sintesi di una
proteina e viene definito con il termine “gene”. Poiché i geni sono portatori di particolari funzioni o caratteri, vengono indicati anche come fattori ereditari – la loro codifica è unica e dunque ciascun organismo è unico. Un’ulteriore peculiarità del DNA consiste nel fatto
che ogni singolo filamento rappresenta una precisa matrice per la sin26
Elica del DNA
(fonte: Wikipedia).
tesi di nuove molecole di DNA e
ogniqualvolta avvenga il processo di
divisione cellulare l’intera informazione genetica viene copiata con
precisione assoluta.
L’informazione genetica unica per
ciascun organismo determina dunque quale sia il suo aspetto e quale sia il suo funzionamento. A partire dagli anni ’90 tali informazioni
vengono però anche utilizzate in
misura crescente negli ambiti della
medicina, della biologia, della farmacologia, della criminologia, dell’analitica degli alimenti, della veterinaria e dell’agricoltura. Con l’ausilio dell’analitica del DNA si procede
all’identificazione, ad esempio, degli
agenti causali di patologie infettive,
di microrganismi ricercati o indesiderati negli alimenti, alla rilevazione di manipolazioni genetiche, all’individuazione dell’origine degli
alimenti, oltre che alla determinazione della paternità/maternità e
della colpevolezza dei delinquenti.
In tutti questi settori si utilizzano le
medesime metodologie biomolecolari, alla base delle quali sta soprattutto la PCR (reazione a catena della polimerasi) - (vedi Frutta e Vite
6/2003 pag. 169).
utilizzano tecniche biomolecolari
anche per le ricerche nei settori
frutticolo e viticolo. Tali tecniche si
caratterizzano per un’elevatissima
sensibilità di rilevazione e per questo ben si addicono all’impiego nella diagnostica dei patogeni vegetali. Settori di utilizzo di estrema attualità sono ad esempio la rilevazione di infezioni latenti di colpo di
fuoco batterico o la diagnostica dei
fitoplasmi – agenti causali degli
scopazzi del melo, dei giallumi europei delle drupacee (albicocco),
della flavescenza dorata e del legno
nero della vite. Presso il Centro di
Sperimentazione Agraria di Laimburg è stata sviluppata la più sensibile ed affidabile metodologia per
la rilevazione dell’agente patogeno
degli scopazzi (vedi Frutta e Vite
1/2005 pag. 15) ed è in corso lo studio per la possibilità di applicazione di un metodo analogo per rilevare i due giallumi della vite.
In futuro la diagnostica non si occuperà più solo di analisi e rilevazioni singole, bensì in misura crescente della tecnica del DNA-Chip,
della presenza di diversi patogeni o
della rilevazione contemporanea di
differenti ceppi di patogeni.
DIAGNOSTICA
GENOTIPIZZAZIONE
Quasi cinque anni fa è stato approntato il laboratorio di biologia
molecolare presso il Cento di Sperimentazione Agraria e Forestale di
Laimburg e da allora gli operatori
Dal momento che ogni singolo organismo si caratterizza per una particolare sequenza del DNA (impronta genetica), le metodologie biomolecolari possono essere impiegate
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anche per l’identificazione genetica
delle varietà. Una determinazione
genetica è indipendente dalle influenze ambientali o stagionali, dalle partite dei campioni di frutti, può
essere praticata già sulle giovani
piante e si dimostra particolarmente adatta per l’identificazione di varietà difficilmente determinabili fenotipicamente e per la verifica di
casi dubbi. Presso il laboratorio di
biologia molecolare del Centro di
Sperimentazione di Laimburg, nell’ambito di un progetto finanziato
dalla Comunità Europea, vengono
caratterizzate antiche varietà di
melo e con i dati raccolti (profili genetici) si procede alla stesura di una
banca dati. Quest’ultima racchiude
anche i profili delle moderne varietà
di melo cosicché sussiste la possibilità, ad esempio, di scoprire, attraverso un’analisi genetica, false dichiarazioni che accompagnano frutti o varietà (falsificazione della denominazione varietale). Con l’eccezione di pochi casi isolati non è comunque a tutt’oggi ancora possibile distinguere i cloni impiegando
questa metodologia. I primi passi
sono stati mossi ed in futuro verranno certamente sviluppate tecniche a ciò esplicitamente preposte.
SELEZIONE
CON
MARCATORI MOLECOLARI
l’efficienza e la percentuale di riuscita, poiché già ad uno stadio molto precoce (già prima che il carattere si manifesti) permette di escludere un gran numero di piante non
idonee.
La ricerca in questo settore è attualmente molto intensa, presso alcuni istituti sperimentali europei,
soprattutto per quanto concerne i
marcatori della resistenza nei confronti di agenti causali di patologie
(ticchiolatura, oidio, colpo di fuoco), ma anche quelli di caratteristiche qualitative, quali la serbevolezza, la compattezza della polpa, il
contenuto zuccherino e in acidi. In
tutto ciò non si deve dimenticare
che un carattere, generalmente,
non è correlato ad un unico gene,
Laboratorio di biologia molecolare presso il Centro di Sperimentazione Agraria
di Laimburg.
dono il marcatore molecolare per un
carattere ricercato verranno utilizzate per i successivi passi del miglioramento. L’impiego dei marcatori genetici non velocizza il processo
di miglioramento, ma ne accresce
bensì a più geni e alla loro interazione. Una volta chiarite queste relazioni, l’impiego dei marcatori genetici potrebbe divenire una realtà
nella pratica del miglioramento. Si
necessita ancora di un intenso la27
L
La biologia molecolare potrà giocare un ruolo, in futuro, anche nel miglioramento di nuove varietà: più
precisamente nell’ambito della selezione con marcatori molecolari. Con
il classico incrocio si mescolano e
combinano ex novo i geni delle varietà parentali (per le piante sono
decine di migliaia!), per selezionare
dalla discendenza i soggetti che
presentano i caratteri desiderati. Il
processo di miglioramento risulta
lungo, impegnativo e costoso. Poiché è possibile determinare i caratteri di una pianta attraverso le
informazioni genetiche (DNA), specifici tratti di DNA sono sempre presenti quando compare un carattere.
Tali tratti (marcatori) possono essere rilevati mediante la PCR ed essere correlati ad un carattere – e consentono così la selezione delle piante adatte. Solo le piante che possie-
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L
voro di ricerca per ottenere l’applicazione nella pratica e questo passaggio avverrà, per la frutticoltura,
solo nell’ambito dei grandi gruppi
di ricerca, ai quali partecipa anche
il Centro di Sperimentazione Agraria di Laimburg.
MANIPOLAZIONE
GENETICA
Gli Organismi Geneticamente Modificati (OGM; ted. GVO’s; ingl.
GMO’s) sono organismi il cui patrimonio genetico è stato manipolato
in modo tale che in condizioni naturali attraverso incroci o ricombinazioni non si sarebbero ottenuti.
Le mutazioni, anche se indotte artificialmente, non vengono considerate modificazioni genetiche. Per
quanto riguarda il settore frutticolo, esistono, nei più diversi laboratori, primordi di mele modificate
geneticamente, soprattutto nell’ambito della resistenza alla ticchiolatura, all’oidio e al colpo di
fuoco batterico, agli insetti (carpocapsa, maggiolino), con cui sono
già iniziate prove di pieno campo
in Olanda (4), Belgio (2), Svezia (2),
Germania (1), USA (39) – sebbene
una registrazione per queste varietà
sia ancora lontana. La medesima situazione si riscontra per la viticoltura, con l’introduzione della resistenza alla muffa grigia, all’oidio e
alla peronospora (attraverso i geni
della chitinasi o glucanasi), ai batteri, ai virus e ai funghi, e con la
modifica della colorazione e delle
dimensioni degli acini. Nel complesso, per la frutti- e viticoltura,
esistono delle sperimentazioni con
gli OGM in pieno campo: in Francia (5), Italia (1), Germania (1), USA
(43), Canada (7), Australia (2), Sudafrica (1) – ma non sono state ottenute registrazioni e per ora non
se ne prevede nemmeno una commercializzazione.
In generale, in futuro verranno sviluppati, accanto agli OGM portatori di fattori di resistenza nei confronti di patologie o principi attivi
erbicidi, anche molti alimenti funzionali, che, arricchiti di sostanze
aggiuntive, dovrebbero avere un effetto di stimolo alla salute. Il riso
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arricchito con vitamina A (Golden
Rice), la maggior concentrazione di
acidi grassi insaturi nel mais, nella
soia, nella colza o in altre sementi
oleose, l’aumento del contenuto
proteico e aminoacidico nelle patate, il grano senza glutine, il pomodoro che non marcisce (FlavrSavr®)
o la frutta e la verdura più adatte
alla trasformazione industriale sono
esempi di alimenti OGM funzionali,
già sviluppati o in corso di sviluppo
– anche fino ad arrivare al vaccino
commestibile. Attualmente sono
state presentate richieste di registrazione per i seguenti OGM, nella
Comunità Europea: cotone (13 varietà), colture floricole (5), patate
(2), mais (45), colza (12), riso (1),
soia (4), canna da zucchero (2) (fonte: http://www.transgen.de/zulassung/gvo/, http://ec.europa.eu/food/
dyna/gm_register/index_en.cfm).
PROGETTI
GENOMA
Con il termine “genoma” si indica
l’intero patrimonio genetico (DNA)
di un organismo. Vi sono contenute tutte le informazioni per il suo
sviluppo, la struttura ed i caratteri
funzionali e di capacità. Il genoma
dell’uomo, quindi tutto il DNA di
una cellula umana (tutte le cellule
contengono il medesimo genoma) è
costituito da 3 miliardi di coppie di
basi e contiene circa 25.000 geni. Il
primo processo di decodificazione
del patrimonio genetico dell’uomo è
costato 3 miliardi di dollari americani, quando venne presentato al
mondo nel 2001.
Dapprima si decifra e si legge la
lunga catena di 3 miliardi di basi,
poi si identificano le parole e le frasi (che rappresentano i singoli geni) ed il loro significato per l’organismo. Nel prossimo futuro ci si
aspetta una vera rivoluzione in
quest’ambito.
La velocità di lettura degli strumenti sequenziali passerà, nel
2015, dalle attuali 24 coppie di basi/secondo a 450.000 coppie di basi/secondo. Con la rivoluzionaria
evoluzione degli strumenti di laboratorio sarà possibile, da un lato,
aumentare la velocità di esecuzio-
ne delle analisi e dall’altro di ridurre sensibilmente i costi. Al giorno
d’oggi, la decodificazione di un genoma umano costa solo 40 milioni
di euro. Tra 10 - 15 anni l’ipotesi
di ricevere il proprio genoma personale su un chip per soli 1.000 euro diverrà realtà. Nel 2006 i ricercatori dell’Istituto Agrario di S. Michele all’Adige hanno decifrato il
genoma della vite e stanno lavorando al genoma del melo. Le
informazioni genetiche apriranno
nuove prospettive, in fruttiviticoltura, dal miglioramento alla valutazione di resistenze/tolleranze alle più diverse patologie. Non è possibile definire il loro ampio ambito
di utilizzo che si aprirà nel corso
dei prossimi decenni.
La biologia molecolare è una scienza che si occupa della struttura e
delle funzioni del materiale ereditario (DNA), in stretta correlazione
con la biologia, la chimica, la genetica e la biochimica. Se fino ad
oggi le veniva spesso attribuito un
carattere descrittivo, identificativo
e di classificazione, oggi diviene
sempre più una scienza in grado di
chiarire relazioni funzionali e meccanismi fisiologici. Proprio per l’analisi dell’espressione genetica
(l’impronta del genotipo nel fenotipo), quindi per la sintesi proteica
che parte dalle informazioni genetiche e dall’interazione proteinaproteina, è possibile chiarire molti
meccanismi metabolici.
Questa evoluzione è accompagnata
da numerosi neologismi: la genomica (genomics) studia il genoma ed i
geni ivi contenuti, la proteomica
(proteomics) si occupa dell’insieme
delle proteine presenti, della loro ripartizione temporale e delle loro interazioni ed infine la metabolomica
(metabolomics) il cui obiettivo è
rappresentato dal quadro dei metabolici e dall’attività enzimatica di
singole vie metaboliche, così come
dall’interazione di diverse vie metaboliche e dalla loro compartimentazione nella cellula. Questi tre settori diverranno in futuro discipline
scientifiche indipendenti e contribuiranno a nuovi sviluppi nell’ambito della ricerca in agricoltura.