Il prossimo raccolto biotecnologico

A prima vista, una vecchia sezione industriale di Cambridge, nel Massachusetts, sembra un posto strano in cui cercare il futuro dell'agricoltura. Le uniche piante sono le erbacce lungo i binari della ferrovia e gli arbusti e gli alberi ben curati che punteggiano gli ingressi delle aziende high-tech che stanno ringiovanendo l'area. Il cuore agricolo degli Stati Uniti è a mille miglia di distanza.

E non troverai serre o vasi di piante sperimentali all'interno di Cereon Genomics. Assomiglia a qualsiasi altro laboratorio di genetica molecolare. I tecnici preparano campioni con codici a barre; nelle vicinanze, file di sofisticati strumenti originariamente sviluppati per il sequenziamento di geni umani formano una linea di produzione ad alta velocità. La differenza è che le materie prime per questa fabbrica di geni sono spesso frammenti di piante e il prodotto è informazioni sul DNA della pianta, il loro progetto genetico.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 1998

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Dal suo ufficio d'angolo, Roger Wiegand alza le sopracciglia verso l'apparecchiatura automatizzata dietro di lui. Wiegand è il direttore della tecnologia genomica di Cereon, la scienza dell'identificazione dei geni e delle loro funzioni. Potrebbe non esserci vegetazione in giro, ma per un biologo molecolare di lunga data, dice Wiegand, gestire il laboratorio di Cereon è come essere un bambino in una fabbrica di caramelle.

L'entusiasmo si basa sulla convinzione che le informazioni genetiche raccolte a Cereon - e in altri laboratori di genomica vegetale che stanno spuntando in tutto il mondo - contribuiranno a seminare una trasformazione biotecnologica dell'agricoltura. Monsanto, il gigante agricolo e farmaceutico con sede a St. Louis, alla fine dello scorso anno si è impegnato a spendere oltre $ 200 milioni per creare Cereon, una consociata interamente controllata che ha formato in un'alleanza con il cacciatore di geni Millennium Pharmaceuticals. L'accordo è una delle mosse più audaci nel rifacimento della Monsanto in una società di scienze della vita. (A giugno, Monsanto ha annunciato l'intenzione di fondersi con American Home Products.) E riflette la profonda convinzione dell'ex azienda chimica di poter sfruttare la crescente conoscenza dei geni nelle grandi imprese, e così facendo cambiare il modo in cui gli agricoltori e i consumatori pensano a impianti.

Altre aziende condividono questa visione. Diversi altri giganti chimici e farmaceutici, in particolare DuPont e Novartis (la società svizzera risultante dalla fusione di Ciba e Sandoz nel 1996), hanno investito miliardi nel sogno. Se queste aziende hanno ragione, entro cinque anni gli agricoltori pianteranno cotone che è naturalmente colorato per ridurre la necessità di tintura, così come colture che ospitano la plastica. I coltivatori saranno armati di raccolti ad alto rendimento e resistenti agli insetti. I consumatori acquisteranno dagli scaffali dei supermercati cibi più sani e nutrienti che provengono da piante geneticamente modificate. Più avanti, in futuro, i bambini riceveranno i vaccini attraverso le banane o altri alimenti, evitando il terrore degli aghi (vedi Rendere gli aghi inutili,).

Fabbriche nei campi

le prime colture transgeniche sono state piantate su larga scala negli Stati Uniti due anni fa e hanno rapidamente messo radici nell'economia. Quest'anno, le piante geneticamente modificate rappresenteranno circa il 15% del raccolto di mais degli Stati Uniti, circa il 30% del raccolto di soia e più della metà della produzione di cotone. Questa prima generazione è stata generata attraverso il trucco relativamente semplice di inserire un gene da un batterio in una pianta per produrre un singolo tratto; i risultati di tale lavoro includono mais e cotone resistenti a parassiti specifici, nonché colture che tollerano diversi tipi di erbicidi.

Sebbene questo modesto armeggiare genetico possa sembrare qualcosa di meno di una rivoluzione biotecnologica, le colture bioingegnerizzate hanno preso d'assalto gli agricoltori. Le persone sono sorprese di quanto siano stati importanti i primi due geni, afferma Anthony Cavalieri, vicepresidente di Pioneer Hi-Bred International, azienda leader nella vendita di semi e partner commerciale di DuPont, con sede a Des Moines. E questo è solo il bordo anteriore. Potrebbe essere fondamentale per il funzionamento dell'intero settore agricolo.

In effetti, si prevede che la vera ricompensa arriverà nei prossimi anni, quando i biologi vegetali inizieranno non solo a inserire più geni nelle piante, ma anche a ridisegnare i progetti genetici - e reindirizzare i percorsi metabolici - di molte colture comuni. La visione è quella di ricablare le piante in unità di produzione a basso costo in grado di coltivare qualsiasi cosa, dagli alimenti modificati ai vaccini umani ai prodotti chimici di base. La ricompensa per l'ingegnerizzazione di questi tratti di output nelle piante? Secondo John Pierce, capo della ricerca sulle scoperte in agricoltura di DuPont, potrebbe significare ottenere un pezzo di mercato industriale e alimentare del valore di $ 500 miliardi all'anno.

Anche per le grandi società, queste non sono patate piccole. La Monsanto, per esempio, sta lavorando su una patata ad alto contenuto di solidi, oltre a colza e semi di soia con contenuto di olio modificato. Un ceppo di colza, ad esempio, è ricco di beta-carotene per combattere la carenza di vitamina A, che è ancora un problema in molti paesi in via di sviluppo.

Durante i prossimi anni, DuPont prevede di iniziare a commercializzare semi per semi di soia modificati e semi di soia ad alto contenuto di saccarosio. Lavorando con il suo partner Pioneer, DuPont ha una mezza dozzina di colture biotecnologiche in fase di commercializzazione e prevede di introdurre piante con diversi tratti accatastati insieme. L'azienda sta anche lavorando su colture ad alto contenuto proteico e oleoso per l'alimentazione animale (circa l'80% del mais statunitense viene somministrato agli animali).

Il cibo per l'uomo e gli animali da fattoria è un grande affare. Ma una ricompensa ancora più redditizia potrebbe alla fine venire dalla coltivazione di colture biotecnologiche che producono materiali e prodotti industriali di grande pregio proprio nella pianta. Perché produrre tinture sintetiche per il cotone utilizzando sostanze chimiche altamente tossiche, si pensa, quando le piante stesse potrebbero essere geneticamente modificate per produrre fibre colorate? Perché non trasformare gli impianti in fabbriche chimiche?

I biologi vegetali della Monsanto e di una start-up di Cambridge, Mass., denominata Metabolix, stanno lavorando separatamente su una plastica coltivata in piante che potrebbe essere pronta per gli agricoltori già nel 2002. Prodigene, una College Station di due anni, Tex., spin-off di Pioneer, sta già vendendo enzimi industriali coltivati ​​nel mais transgenico e sta sviluppando altri prodotti industriali a base di proteine. Altri laboratori stanno tentando di creare impianti che producono oli speciali che potrebbero servire come nuovi ingredienti industriali per rivestimenti e lubrificanti. Anche sul tavolo da disegno ci sono vaccini commestibili a base vegetale per malattie come l'epatite e la diarrea.

Armeggiando con il controllo e l'attività dei geni, è possibile produrre praticamente di tutto nelle piante, afferma David Wheat, consulente di biotecnologie vegetali di lunga data e presidente del Bowditch Group con sede a Boston. Comprendendo come funziona un organismo a livello molecolare, puoi progettare nuovi tipi di prodotti, forse anche realizzare prodotti che non hai mai visto prima.

Aritmetica semplice

Le prospettive della biotecnologia agricola sono abbastanza allettanti da contribuire a guidare una massiccia ristrutturazione delle industrie agricole e chimiche che, in alcuni casi, sta confondendo i confini tra le due (vedi Seeding a New Industry, barra laterale). Monsanto e DuPont, in particolare, hanno scavato a fondo nelle nuove opportunità, divorando fornitori di sementi e start-up di biotecnologie vegetali. Spinta in gran parte dal potenziale delle biotecnologie, l'anno scorso Monsanto ha abbandonato senza tante cerimonie la sua attività chimica, abbracciando la biologia come l'onda del futuro. A sua volta, questa primavera DuPont si è riorganizzata, formando un gruppo di scienze della vita (che comprende le sue attività agricole, farmaceutiche e biotecnologiche) e dichiarando che la sua crescita futura risiede nell'integrazione di chimica e biotecnologia.

Anche la seria Dow Chemical, l'enorme produttore di prodotti chimici, ha dichiarato di voler essere un attore leader nel settore delle biotecnologie, puntando allo sviluppo di materie plastiche e prodotti chimici industriali. È una tecnologia il cui tempo è giunto, afferma Fernand Kaufmann, vicepresidente di Dow per le nuove attività e lo sviluppo strategico. Kaufmann avverte, tuttavia, che ci vorrà del tempo prima che i prodotti chimici coltivati ​​nelle piante intacchino gli enormi mercati delle materie prime, che sono dominati da prodotti derivati ​​dal petrolio.

Database del DNA

per i prossimi anni la produzione di plastica su larga scala rimarrà in fabbrica, non sul campo. Anche nei progetti di ricerca più avanzati di DuPont per i materiali a base vegetale, ammette l'Irlanda, gli scienziati stanno ancora svelando i percorsi enzimatici mentre contemporaneamente sviluppano tutta la chimica dei polimeri. Nessuno sa davvero come controllare e regolare l'espressione genica delle piante.

Ma se la genomica delle piante continua ad accelerare al ritmo attuale, potrebbe diventare molto più facile raggiungere questo obiettivo. Le colture più comuni hanno una grande quantità di DNA e circa 50.000 geni, circa la metà del numero negli esseri umani. Ma utilizzando macchine veloci e automatizzate, affinate per svelare il genoma umano, i genetisti vegetali stanno identificando i geni più rapidamente di quanto i botanici sappiano coltivarli.

Scott Tingey, direttore del programma di genomica di DuPont, afferma che la tecnologia ha avuto un profondo impatto sul campo. Alcuni anni fa, ci volevano due anni-uomo per clonare un gene vegetale, dice Tingey. Circa la metà delle volte che hai avuto successo, l'altra metà ti è caduta di faccia. Oggi la vita è molto diversa. Negli ultimi due anni, DuPont ha creato un database di sequenze di DNA per mais, soia, grano e riso. Elimina il noioso processo di scoperta dei geni. Questo non è più il passo limitante in un progetto, spiega Tingey.

I biologi prevedono di completare il sequenziamento dell'Arabidopsis (un'erba che è il modello genetico primario per la genetica delle piante) entro il 2000, come risultato di una collaborazione internazionale iniziata nel 1989. Ciò potrebbe essere cruciale perché tutte le piante da fiore hanno essenzialmente lo stesso set di geni . Entro i prossimi cinque anni, conosceremo a un certo livello la funzione di tutti i geni delle piante, prevede Somerville di Stanford. È un cambiamento importante. Saremo in una posizione molto migliore per apportare miglioramenti razionali agli impianti.

Alla neonata Cereon, un obiettivo è trasformare il sequenziamento di materiale genetico interessante in una linea di produzione di routine ad alto rendimento. In particolare, l'azienda vuole accelerare il processo di ricerca di una sequenza di DNA responsabile di uno specifico fenotipo, o tratto fisico. Stiamo creando sistemi che consentiranno ai genetisti molecolari di passare da un fenotipo di interesse all'avere un gene clonato e conoscere la sequenza per quel tratto, in un tempo molto breve, afferma il presidente di Cereon William Timberlake. Ora ci vogliono anni per ottenere alcuni di questi geni, spiega Timberlake. Vorremmo ridurlo a settimane o mesi.

Ma raccogliere tutte queste informazioni sui geni è solo il primo passo. Oliver Peoples, co-fondatore di Metabolix, spiega: Cosa fai con tutte le informazioni genetiche provenienti dalla genomica? Inizi a progettare percorsi per ottimizzare il flusso di carbonio. È l'uso finale della genomica: è il puzzle definitivo. In altre parole, il sogno è controllare l'intero metabolismo di una pianta.

Le aziende intente a trasformare le piante coltivate in fabbriche stanno lavorando su alcuni passaggi preliminari. DuPont intende affinare le sue capacità biologiche realizzando un intermedio plastico dallo zucchero utilizzando microbi geneticamente modificati in un processo di fermentazione. L'intermedio è l'ingrediente chiave in un nuovo polimero che potrebbe competere con il nylon e l'azienda prevede di avere un impianto di produzione su piccola scala attivo e funzionante entro la fine del 2000. Sarà il primo tentativo di DuPont di un processo di produzione a base biologica e, dice Dorsch, guiderà i piani dell'azienda per l'utilizzo della biologia per produrre materiali.

Contro una parete dell'ufficio di Dorsch c'è un diagramma che mappa le vie metaboliche in un batterio. Assomiglia a un diagramma di flusso di ingegneria chimica, il tipo che vedi ovunque a DuPont, solo che è molto più complesso. L'idea, dice Dorsch, è di sfruttare i flussi naturali di carbonio nell'organismo e di progettare sottili cambiamenti che permettano di travasare un prodotto desiderato. Gli organismi sono già sintonizzati per funzionare molto bene. Se provi a spostare una frazione significativa del carbonio attraverso un percorso diverso, stai per dover riprogettare completamente la bestia. Non credo che siamo così audaci da credere che sia qualcosa che accadrà presto. Aggiunge rapidamente, ma potremmo arrivarci.

I laboratori di ricerca DuPont alla periferia di Wilmington, Del., sono un terreno sacro per scienziati e chimici dei polimeri. Sono il punto zero della moderna chimica industriale americana, il luogo in cui è stato inventato il nylon. E la chimica a base di petrolio ha regnato a lungo qui. Ora, dice l'Irlanda, la biologia sta rivitalizzando la ricerca. I chimici dei polimeri ne sono entusiasti perché vedono le possibilità insite nella scienza. I biologi sono entusiasti perché vedono l'opportunità di usare i loro talenti per fare un sacco di soldi per l'azienda.

Le imponenti colonne di distillazione sono ancora più comuni dei campi di grano a Wilmington. Ma se DuPont ei suoi rivali avranno successo, il divario tra i mercati agricoli e l'industria chimica potrebbe presto ridursi. In effetti, il divario tra chimica industriale e biologia esiste già.

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