Il ciclo di krebs e il fascino del genio naturale capitolo III : manipolazione genetica e biotecnologie

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Per decenni i chimici hanno studiato la chimica organica e inorganica per capire come ottenere i prodotti desiderati nel modo più veloce, conveniente e produttivo, in termini di resa di prodotto e di tempo necessario. Ci si è nel tempo accorti però che esiste un laboratorio naturale che è molto più veloce, pulito, selettivo ed economico: la cellula.

La cellula è assolutamente incredibile, è in grado di creare i prodotti che lei desidera in pochissimo tempo, con rese alte e in condizioni praticamente “normali” (fra poco chiarirò questo fatto) che in laboratorio non si riescono a riprodurre.

Per far avvenire le reazioni chimiche si gioca sulla temperatura, sulla pressione, sull’acidità e sull’uso di opportuni catalizzatori. Per moltissimi processi chimici si lavora a temperature e pressioni elevate, con pH corrosivi (molto acidi o molto basici), in solventi organici e con catalizzatori che generalmente sono a base di metalli pesanti. Si dice in gergo che è una chimica “sporca”. La cellula invece fa tutto dentro se stessa, a pressione atmosferica, a temperatura ambiente o poco più elevata, a pH neutro o leggermente acido, utilizzando come catalizzatori delle proteine e facendo avvenire tutto in acqua.

L’idea di base delle biotecnologie è quella di sfruttare la cellula per produrre ciò che ci interessa. Ciò che ci piace dei microrganismi è che hanno di natura una certa capacità di adattarsi all’ambiente in cui vivono, anche se per noi privo di valore e considerabile scarto.

Mi rendo conto che per chi è nuovo a queste cose è complicato da capire, perciò facciamo un parallelismo con qualcosa di già noto: un allevamento di galline. (Sono serio).

L’allevatore inizialmente acquista un certo numero di pulcini, li nutrirà con appositi mangimi e dovrà attendere un certo periodo di tempo prima che questi inizino a produrre uova che è la sua fonte di guadagno. Fra lui e il guadagno ci sono di mezzo il costo dei mangimi e il tempo di crescita.

Una coltura microbica funziona allo stesso modo, solo che i batteri sono molto più piccoli e hanno bisogno di poco tempo per essere produttivi. Naturalmente anche loro hanno un “mangime” detto medium colturale o terreno colturale.  Dato che i batteri generalmente si adattano bene, possono crescere anche in medium colturali a basso costo.

Per esempio, le melassi di canna e barbabietola, sono molto ricche di zuccheri. Da esse non si riesce ad estrarre altro zucchero, perciò sono considerate uno scarto della lavorazione che va smaltito. Per i batteri invece è un terreno colturale perfetto per viverci. Altri terreni colturali possono essere sieri di latte, oli vegetali, acque della macellazione, scarti della produzione di patate, acque di scarto della lavorazione della cellulosa, dell’estrazione di amido dal mais… tutti quanti prodotti di scarto che diventano risorse a basso costo per far crescere batteri che produrranno ciò che vogliamo ottenere. C’è così una valorizzazione e uno smaltimento di prodotti di scarto. Naturalmente si aggiungono anche altre cose dentro, però il principio è questo.

In alcuni casi i processi biotecnologici sono così convenienti che hanno completamente rivoluzionato il mercato e certi prodotti si ottengono ora solamente attraverso la fermentazione batterica.

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Naturalmente sono stati fatti molti studi a proposito per cercare di produrre sempre  di più, cercando di variare le caratteristiche del medium colturale. Finché poi si è fatto un passo in avanti. Che ora vorrei ripercorrere con te.

Ci si è chiesto: abbiamo visto che ci sono batteri che producono acido lattico, altri acido acetico, altri etanolo… ma da cosa dipende il prodotto che viene ottenuto?

Dal DNA.

Quindi se voglio ottenere un certo prodotto, devo vedere se esistono dei batteri che di natura hanno la capacità di produrlo.

Ma se non li trovo? Si può fare qualcosa per fare in modo che un batterio produca quello che voglio io?

Be’… sì. Bisogna cambiargli il DNA. Bisogna fare quella che si chiama una mutazione genetica.

Senza addentrarci in questione etiche, quello che si va a fare con l’ingegneria genetica è modificare un piccolo pezzettino del DNA di un batterio per fare in modo che produca qualcosa di nuovo o che lo produca in maniera differente o che non produca altre sostanze. Il discorso qui si farebbe ampio perciò non entriamo in merito.

Perciò, se voglio produrre una sostanza e non ci sono batteri che la producano naturalmente (ma magari producono qualcosa di simile), li si prende, li si fa mutare geneticamente per fargli produrre ciò che voglio io con la resa più alta possibile, in terreni colturali a basso costo. Dopodiché si separa tutto.

Ma che cosa significa mutare geneticamente?

Possiamo vedere il DNA di una cellula come un’enorme biblioteca, in cui sono conservati tantissimi libri. Questi libri contengono le ricette per produrre tutte le sostanze di cui la cellula ha necessità.

Mutare geneticamente significa aggiungere una piccola paginetta ad un libro, ovvero aggiungere una ricetta in più.

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Esistono anche altri tipi di manipolazione genetica, per esempio si può strappare una pagina ad un libro e togliere così una ricetta; oppure cambiarne una modificando qualche passaggio…

Da dove vengono queste “pagine” aggiunte? Be’ possono essere create oppure prelevate dalla biblioteca di un altro organismo. Per esempio un microrganismo A potrebbe avere la ricetta per produrre la sostanza X. Vorrei che anche il microrganismo B sia in grado di farlo, perciò prendo la ricetta al primo e la aggiungo al secondo. Il discorso non è esattamente così facile però il principio è questo.

Può piacere oppure no ma è una grandissima scoperta, perché in questo modo riusciamo a produrre molte sostanze complesse in maniera molto veloce e poco costosa, che ha aperto le porte ad una nuova era: quella dei biopolimeri e dei biocarburanti.

Facciamo qualche esempio, parliamo ad esempio della produzione di insulina per diabetici. L’insulina viene prodotta dal pancreas umano. In passato, per ottenerla, si prelevava dal pancreas di maiali. Questo tipo di insulina, detta insulina porcina, veniva poi “umanizzata” cioè trasformata in insulina umana.

Oggi invece si prende un ceppo batterico a cui è stata inserita l’informazione genetica per produrre insulina e se ne possono così ottenere grandissime quantità, con processi semplici e molto meno costosi.

Oggi attraverso la fermentazione si producono moltissimi prodotti, dai cibi fermentati, agli alcolici, ad alcuni latticini, fino alle vitamine, gli amminoacidi, i biocarburanti, alle bioplastiche, agli antibiotici… di tutto praticamente, e con processi sostenibili, a basso impatto ambientale e poco costosi. Si utilizzano processi fermentativi anche nello smaltimento dei rifiuti, nella produzione di biogas e nella bonifica di terreni inquinati. Sicuramente questa è stata una rivoluzione per la storia della chimica.

Schema di Produzione di Biogas (processo di Fermentazione Metanica).

 

 

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Produzione di plastica da mais: dall’amido di mais dopo fermentazione lattica si ottiene acido lattico che, a seguito di un processo di polimerizzazione, diventa il polimero polilattide (un tipo di plastica), dal quale si possono ottenere vari altri prodotti.

 

 

 

Vì e Davide D.

 

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