Nel novembre del 2011 alcuni ricercatori della Johns Hopkins University di Baltimora hanno comunicato alla rivista Nature di aver inserito con successo in un lievito due segmenti di cromosoma, a cui hanno aggiunto un sistema per rimescolare i geni in modo da riprodurre i casuali processi che determinano l'evoluzione. L’obiettivo era quello di creare un’entità vitale da utilizzare per la preparazione di vaccini. Era passato poco più di un anno da quando, il 20 maggio del 2010, lo scienziato statunitense Craig Venter aveva diffuso l’annuncio che la società da lui costituita, Synthetic Genomic, aveva creato una nuova forma di vita, un organismo in grado di riprodursi, inserito all’interno della cellula di un batterio di specie diversa.
L’annuncio di Venter aveva suscitato reazioni assai diverse: di entusiasmo, di stupore, ma anche di preoccupazione e di costernazione.
In realtà si tratta di una notizia da molti prevista. All’inizio degli anni settanta Stanley N. Cohen dell’Università di Stanford e Herbert Boyer dell’Università di San Francisco hanno per la prima volta inserito stabilmente nel Dna di un batterio un frammento di Dna estratto da un altro organismo, dimostrando così che il codice genetico proveniente da diversi organismi viventi poteva essere combinato in modo da creare nuove entità, diverse da quelle presenti in natura. Era l’atto di nascita della biotecnologia. Oggi in centinaia di laboratori e centri di ricerca nel mondo si inseriscono e cambiano i geni presenti in organismi viventi modificando tratti del loro codice genetico al fine di ottenere risultati o prestazioni desiderate.
Non poteva tardare assai il passo successivo, e cioè il passaggio tra l’inserimento di un gene all’interno del genoma di un’altra cellula e la modifica di intere cellule con componenti artificialmente prodotte.
Questa nuova fase è generalmente nota come biologia sintetica.
Una scienza in cerca di definizione
Il termine biologia sintetica compare per la prima volta molti anni fa, nel 1913, come titolo di un articolo apparso sulla rivista Nature. Ricompare nella letteratura scientifica nel 1974, dopo un intervallo di settant’anni, utilizzato come sinonimo di ingegneria genetica, a opera del genetista polacco Waclaw Szybalski. «La vera sfida inizierà quando cominceremo a sviluppare la biologia sintetica», scriveva profeticamente. «Potremmo allora aggiungere nuovi moduli a genomi già esistenti, o realizzare genomi interamente nuovi. Sarà un settore con possibilità virtualmente illimitate di espansione».
Tuttavia, ancora oggi, i confini di questa nuova scienza restano non ben definiti.
Secondo una delle definizioni più diffuse, la biologia sintetica comprende le tecniche, proprie dell’ingegneria genetica, di aggiungere o sottrarre singoli geni a un organismo, ma anche interventi rivolti a modificare i processi di formazione delle cellule in modo da ottenere organismi nuovi, secondo progetti predeterminati. È quindi una disciplina che combina aspetti di ricerca scientifica propri della biologia con aspetti pratici tipici dell’ingegneria genetica. Confluiscono nella biologia sintetica anche l’insieme delle tecniche che permettono di produrre artificialmente singoli geni all’interno di una determinata sequenza di Dna, in modo da realizzare artificialmente organismi predisposti per ottenere prestazioni desiderate. E non ne sono estranee conoscenze derivate dalle nanoscienze e dalle nanotecnologie.
Di certo, la disciplina avrà un ruolo sempre più ampio nel futuro. «Questi primi anni del secolo offrono enormi promesse e terribili pericoli», hanno scritto 17 tra i più illustri scienziati del settore nella cosiddetta dichiarazione di Ilulissat del 2007. «Dobbiamo affrontare immense sfide nei settori del cambiamento climatico, dell’energia, della salute e delle risorse idriche. La biologia sintetica può offrire delle soluzioni a tutte queste sfide».
Biologia sintetica e ambiente
E comincia già a farlo. Un importante settore di sviluppo della biologia sintetica nel settore della tutela dell’ambiente è costituito dal risanamento e dalla bonifica di siti contaminati utilizzando organismi biosintetizzati appositamente per questo scopo. Alcuni batteri sono già da tempo utilizzati in quanto consumano e degradano naturalmente idrocarburi e molti componenti del petrolio. Ma sono allo studio già da molti anni organismi geneticamente modificati o artificialmente prodotti per dissolvere o degradare sostanze più tossiche, come le diossine, i pesticidi, il fosforo, metalli pesanti e vari composti radioattivi.
Tra gli altri impieghi della biologia sintetica, di particolare interesse ambientale sono le attività rivolte alla produzione di sostanze artificiali, sostitutive di quelle ottenute attualmente da risorse naturali non rinnovabili: prima fra tutte il petrolio, che costituisce la base di innumerevoli prodotti divenuti di uso comune, come la plastica. Un’alternativa al petrolio è l’acido polilattico, sinora ottenuto con un laborioso processo chimico. Tuttavia, solo recentemente sono state sviluppate tecnologie che hanno reso conveniente la produzione su vasta scala di prodotti totalmente biodegradabili a base di questa sostanza. In un prossimo futuro, i costi potrebbero essere ulteriormente ridotti, eliminando la necessità dell’intero processo chimico e utilizzando un batterio creato artificialmente da un gruppo di ricercatori dello Advanced Institute of Science and Technology coreano. Anche la gomma sintetica, ottenuta attualmente da derivati del petrolio, potrebbe essere prodotta da un nuovo vegetale ottenuto trasformando geneticamente una varietà di tarassaco diffuso in Russia.
L’obiettivo più importante è però ottenere un combustibile sostitutivo del petrolio.
Oltre il petrolio: i biocombustibili
Oggi i biocarburanti più diffusi sul mercato sono estratti dalla lavorazione delle materie prime agricole, dalle biomasse e dal legno. Ma non tutto ciò che si ottiene dai vegetali è verde. È vero che, nel momento in cui sono utilizzati, i biocarburanti producono emissioni di gas serra assai inferiori a quelle dei combustibili fossili. Ma se si prende in considerazione l’intero processo di produzione dei biocarburanti, i danni al clima e all’ambiente sono comparabili con quelli del petrolio, se non addirittura superiori. Inoltre, i biocarburanti contribuiscono alla riduzione delle risorse idriche disponibili. Infine, la sottrazione di aree agricole all’uso alimentare a favore della produzione di combustibile appare eticamente dubbia in una situazione mondiale in cui la fame e la sottonutrizione restano il problema prioritario da risolvere.
Proprio in considerazione di questi aspetti e di questi problemi, i biocombustibili di seconda generazione sono prodotti utilizzando organismi, come alghe o piante infestanti, la cui coltivazione non richiede un eccessivo consumo d’acqua o può essere dislocata in zone non adatte all’agricoltura tradizionale.
Biocombustibili e biologia sintetica
È in questa seconda fase di sviluppo che si innesta la ricerca della biologia sintetica. L’obiettivo è la realizzazione di cellule artificiali che producano sostanze che poi, immesse nelle alghe con opportuni trattamenti chimici o biologici, siano convertibili in combustibile riducendo anche l’impatto sul clima. Così, molte imprese del settore agroalimentare e agrogenetico e molti governi stanno investendo in programmi volti a sviluppare organismi da utilizzare per produrre biocombustibili. Il dipartimento dell’Energia del Governo federale americano ha istituito un apposito ente, il Joint BioEnergy Institute, dotato di fondi per oltre 100 milioni di dollari al fine di studiare la possibilità di creare un biocombustibile che non produca danni ambientali.
Una società californiana, fondata nel 2005 e specializzata nella realizzazione di organismi artificiali (brevettati con il marchio DesignerMicrobes), ha realizzato una particolare specie di batteri che producono un idrocarburo del tutto simile al petrolio, con un potere energetico superiore ai biocombustibili attualmente in commercio. Su un organismo sintetico sta lavorando anche Synthetic Genomics. Il progetto prevede la costruzione di un batterio artificiale che, inserito in alghe, assorba mediante la fotosintesi l’anidride carbonica dall’atmosfera trasformandola in idrogeno o metano. Alla University of California Los Angeles si sta lavorando invece a batteri artificiali che, inseriti in alghe, producano direttamente il combustibile mediante un processo di fotosintesi.
Questi progetti, tuttavia, richiedono pur sempre la coltivazione di alghe nelle quali inserire gli organismi prodotti biosinteticamente. Devono quindi essere disponibili vaste quantità di territorio da adibire a questo scopo. Lo spazio necessario potrebbe però ridursi in modo sostanziale se si riuscissero a realizzare organismi sintetici che producono combustibile trasformando l’anidride carbonica esistente nell’atmosfera senza far uso della fotosintesi.
Varie soluzioni sono allo studio. Una prima possibilità è quella di creare elettrocombustibili realizzati da organismi che siano alimentati a mezzo di pannelli solari o di energia eolica. Un programma che si propone di sviluppare questa soluzione è attualmente in svolgimento con fondi della Advanced Research Projects Agency-Energy, un’agenzia federale degli Stati Uniti che sta effettuando massicci investimenti nella ricerca di nuove fonti di energia e punta alla messa a punto di un combustibile simile all’attuale diesel. Una diversa possibilità prevede l’utilizzo di microrganismi esistenti in natura che vivono in ambienti estremi (per lo più in profondità sotterranee), dove traggono l’energia necessaria alla loro sopravvivenza da molecole inorganiche come l’anidride carbonica. In questo caso, potrebbero essere utilizzati appositi bioreattori, eventualmente sistemati sotto terra, con un ridotto consumo di aree.
A giudizio di tutti gli esperti i prossimi anni saranno decisivi per comprendere come verrà prodotta, in futuro, l’energia di cui abbiamo bisogno. E gli studi, le ricerche e i progetti a cui abbiamo accennato inducono molti a pensare che la biologia sintetica offrirà concrete possibilità per ridurre, se non abbandonare del tutto, l’uso del petrolio, ben prima che si ponga il problema del suo esaurimento.
Aggiungi un commento