Come un rivoluzionario strumento di editing genetico aiuterà il mondo a far fronte ai cambiamenti climatici

Jennifer Doudna, co-sviluppatrice di CRISPR, afferma che è in arrivo una “rivoluzione” nelle colture e negli animali adattati al clima.

Jennifer Doudna, una delle inventrici dell’innovativo strumento di editing genetico CRISPR, afferma che la tecnologia aiuterà il mondo a far fronte ai crescenti rischi del cambiamento climatico, fornendo colture e animali più adatti a condizioni più calde, secche, umide o strane.

“Il potenziale è enorme”, afferma Doudna, che ha vinto il premio Nobel 2020 per la chimica per il suo ruolo nella scoperta. “Con CRISPR è in atto una vera e propria rivoluzione”.

Il mese scorso, l’Innovation Genomics Institute (IGI), fondato da Doudna, ha ospitato il Climate & Agriculture Summit presso l’Università della California, Berkeley, dove gli oratori hanno sottolineato il ruolo che l’editing del genoma può svolgere nell’affrontare i crescenti pericoli del cambiamento climatico. Doudna ha rilasciato una breve intervista a MIT Technology Review a margine dell’evento a porte chiuse.

Lei e i suoi coautori hanno pubblicato il loro articolo di riferimento su Science 12 anni fa, dimostrando che un sistema immunitario batterico poteva essere programmato per individuare e tagliare sezioni specifiche di DNA. I primi pazienti hanno iniziato a ricevere il primo trattamento medico approvato creato con le forbici genomiche, una terapia genica per la malattia falciforme, e un elenco crescente di alimenti creati con CRISPR sta lentamente raggiungendo gli scaffali dei negozi di alimentari.

Sono in arrivo molte altre piante e animali modificati con CRISPR, e alcuni di essi sono stati modificati per promuovere tratti che potrebbero aiutarli a sopravvivere o prosperare in condizioni alimentate dal cambiamento climatico, iniziando a realizzare una promessa di lunga data dell’ingegneria genetica. Tra questi vi è la progenie di due bovini che Acceligen, un’azienda di allevamento di precisione con sede nel Minnesota, ha modificato per ottenere mantelli più corti e più adatti alle temperature più calde. Nel 2022, la Food and Drug Administration statunitense ha stabilito che la carne e gli altri prodotti derivati da questi bovini “presentano un basso rischio per le persone, gli animali, l’approvvigionamento alimentare e l’ambiente” e possono essere commercializzati per i consumatori americani.

Altre aziende stanno sfruttando la CRISPR per sviluppare mais con steli più corti e resistenti che potrebbero ridurre la perdita di raccolti a causa di tempeste sempre più potenti; nuove colture di copertura che possono aiutare a sequestrare più anidride carbonica e a produrre biocarburanti; e animali che potrebbero resistere alle malattie zoonotiche che il cambiamento climatico potrebbe contribuire a diffondere, tra cui l’influenza aviaria.

Da parte sua, l’IGI sta lavorando per sviluppare un riso in grado di resistere a condizioni più secche, nonché colture che possano raccogliere e immagazzinare più anidride carbonica, il principale gas serra che determina il cambiamento climatico.

Le vecchie tecniche di modificazione genetica, che comportano lo spostamento di geni da un organismo a un altro, hanno già prodotto successi agricoli, tra cui colture resistenti agli erbicidi e mais, patate e soia con maggiori protezioni contro i parassiti. L’uso di questi strumenti per alterare le colture ha suscitato il timore che i cosiddetti “Frankenfoods” potessero peggiorare le allergie e causare malattie nell’uomo, anche se questi timori per la salute sono stati ampiamente superati.

La grande speranza è che la capacità di CRISPR di rimuovere con precisione parti specifiche del DNA all’interno dei genomi esistenti di piante e animali renda più facile e veloce la creazione di colture e bestiame resistenti al clima, evitando molte delle insidie delle precedenti tecniche di riproduzione e modifica. L’ulteriore promessa è che i prodotti risultanti potrebbero risultare più attraenti per il pubblico, poiché spesso non contengono DNA di altri organismi e non sono etichettati come bioingegnerizzati. (Tuttavia, la CRISPR può essere utilizzata anche per creare piante e animali transgenici).

“È molto eccitante vedere questi prodotti in uscita, perché hanno un impatto reale incredibilmente importante, soprattutto quando abbiamo a che fare con il cambiamento del clima e con l’espansione della popolazione”, afferma Doudna, professore di biochimica all’Università della California, Berkeley.

Ma ci sono ancora notevoli ostacoli allo sviluppo e alla commercializzazione di nuove colture e animali trasformativi, nonché limiti alla possibilità di aiutare gli agricoltori e le comunità nelle regioni che diventeranno eccessivamente calde, secche o umide nei prossimi decenni.

Gli alimenti CRISPRed in arrivo

Negli ultimi anni, il Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti ha allentato le proprie norme sulla regolamentazione e sull’etichettatura degli alimenti geneticamente modificati, in modo da spianare la strada a molte alterazioni CRISPR.

Il dipartimento continua a supervisionare e a richiedere informazioni su piante e animali transgenici. Ma ha stabilito che non regolamenterà gli alimenti quando gli strumenti di editing genomico come il CRISPR vengono utilizzati per apportare “una singola modifica che altrimenti avrebbe potuto essere prodotta attraverso l’allevamento convenzionale” per periodi di tempo più lunghi.

“Stiamo semplicemente fornendo un tratto che si sarebbe potuto verificare naturalmente”, dice Doudna a proposito della distinzione normativa. “È solo che abbiamo accelerato il processo con CRISPR”.

L’USDA ha confermato alle aziende o ai gruppi di ricerca che diverse decine di colture sviluppate attraverso l’uso di CRISPR sarebbero state esentate dalla regolamentazione, secondo una revisione dei documenti pubblici effettuata da MIT Technology Review.

Secondo Chavonda Jacobs-Young, scienziato capo dell’USDA, sfruttare CRISPR e tecnologie simili sarà fondamentale per nutrire una popolazione globale in crescita senza aumentare drasticamente i terreni, i fertilizzanti e le altre risorse dedicate all’agricoltura. Jacobs-Young è intervenuta sul palco della conferenza dell’UC Berkeley e ha parlato anche con MIT Technology Review.

“Abbiamo bisogno di strumenti ad alta tecnologia”, dice. “Questa sarà una chiave importante per aiutarci a garantire un approvvigionamento alimentare sicuro, abbondante, delizioso… e conveniente”.

I metodi di riproduzione convenzionali, che includono l’incrocio di varietà di piante e animali o l’uso di radiazioni o sostanze chimiche per creare mutazioni, sono un processo disordinato. Può creare numerosi cambiamenti in tutto il genoma che non sono necessariamente benefici, richiedendo prove ed errori significativi per individuare i miglioramenti.

“L’aspetto entusiasmante del CRISPR per l’editing genetico è che si possono apportare modifiche esattamente dove si vuole”, afferma Emma Kovak, analista senior per l’alimentazione e l’agricoltura presso il Breakthrough Institute. “È assolutamente enorme in termini di risparmio di tempo e denaro”.

Per quanto potente e precisa sia la CRISPR, tuttavia, è necessario un lavoro considerevole per indirizzare la parte giusta del genoma, per valutare se le modifiche apportano i benefici sperati e, soprattutto, per garantire che le modifiche non vadano a scapito della salute generale delle piante o della sicurezza alimentare.

Ma il miglioramento degli strumenti di editing genetico ha anche contribuito a rilanciare e accelerare la ricerca per comprendere meglio i complessi genomi delle piante, che spesso sono più lunghi del genoma umano. Questo lavoro sta aiutando gli scienziati a identificare i geni responsabili dei tratti rilevanti e le modifiche che potrebbero apportare miglioramenti.

Secondo Doudna, con il progredire della ricerca in questo campo vedremo molte altre colture modificate per aumentare la resilienza ai cambiamenti climatici.

“In futuro, man mano che scopriremo un numero sempre maggiore di caratteristiche genetiche fondamentali, la CRISPR potrà essere un’applicazione molto pratica per la creazione di piante in grado di affrontare le sfide future”, afferma l’esperta.

Piante pratiche e mucche educate

Gli sforzi dell’IGI per sviluppare un tipo di riso che potrebbe essere più tollerante alla siccità rispetto alle varietà standard evidenziano sia le promesse che le sfide future.

Diversi gruppi di ricerca hanno utilizzato CRISPR per disattivare un gene che influenza il numero di minuscoli pori nelle foglie della pianta. Questi pori, noti come stomi, permettono al riso di assorbire anidride carbonica, emettere ossigeno e rilasciare acqua come mezzo per controllare la temperatura. La speranza è che con meno stomi le piante possano conservare più acqua per sopravvivere e crescere in condizioni di siccità.

Ma si è rivelato un difficile gioco di equilibri. Le ricerche precedenti hanno eliminato il cosiddetto gene STOMAGEN. Questo ha eliminato fino all’80% dei pori, riducendo certamente la perdita di acqua. Ma ha anche compromesso la capacità delle piante di assorbire l’anidride carbonica e di rilasciare l’ossigeno, due elementi fondamentali per la fotosintesi.

I ricercatori dell’IGI si sono concentrati su un altro gene, EPFL10, che ha avuto un effetto meno drammatico, riducendo il numero di pori di circa il 20%. Secondo la ricerca pubblicata dal gruppo, questa modifica ha aiutato le piante a conservare l’acqua, ma non ha influito sulla loro capacità di regolare la temperatura o lo scambio di gas.

“Porta la selezione delle piante a un livello superiore”, dice Doudna a proposito di CRISPR. “Possiamo regolare il numero di pori aumentando o riducendo alcuni geni… ai livelli che effettivamente supportano la crescita delle piante [e] consentire agli agricoltori di produrre riso della qualità e con i rendimenti di cui hanno bisogno, ma senza la perdita di acqua”.

L’organizzazione sta anche esplorando i modi in cui CRISPR potrebbe affrontare più direttamente il cambiamento climatico. Ciò include un programma di ricerca volto a ridurre il metano emesso dal bestiame, che è la principale fonte di emissioni di gas serra legate all’allevamento.

L’IGI sta collaborando con ricercatori dell’Università della California, Davis, e di altri paesi per esplorare se CRISPR e altri strumenti emergenti possano essere utilizzati per alterare i microbi nello stomaco dei bovini in modo da ridurre la produzione di questo potente gas serra.

Diversi gruppi di ricerca e start-up stanno lavorando per ridurre queste emissioni attraverso additivi per mangimi, spesso derivati da un tipo di alga. Ma la speranza è che le modifiche al microbioma delle mucche possano essere permanenti ed ereditabili, afferma Brad Ringeisen, direttore esecutivo dell’IGI.

“Se ci riusciamo, potrebbe essere qualcosa di potenzialmente applicabile a quasi tutte le mucche del mondo”, dice.

Etichettatura e sicurezza

Kovak afferma che ci sono ancora molte sfide che potrebbero frenare lo sviluppo di animali e piante modificati con CRISPR, tra cui i continui ostacoli normativi che devono affrontare i prodotti in cui viene introdotto DNA estraneo o vengono effettuate modifiche più complesse. Potrebbero anche essere in corso battaglie sui diritti intellettuali dello strumento e delle varianti che stanno emergendo, nonché sui costi o sugli oneri che le aziende devono sostenere per utilizzare la tecnologia.

La stessa Doudna è stata al centro di un’aspra e contorta disputa con il Broad Institute per la proprietà dei brevetti chiave di CRISPR (il Broad è affiliato al MIT, che possiede MIT Technology Review). Ciascun gruppo ha ottenuto numerosi brevetti in vari Paesi per determinati aspetti e varietà dello strumento.

Le continue battaglie legali hanno creato complessità e incertezza per le aziende che sperano di sfruttare la CRISPR per sviluppare prodotti commerciali.

Doudna ha fondato o co-fondato diverse startup, tra cui Caribou Biosciences, che ha concesso in sublicenza l’accesso ad alcuni brevetti CRISPR per usi che includono l’agricoltura. Non ha risposto a una domanda su questo argomento prima dell’orario di pubblicazione.

“Anche se abbiamo assistito a molti progressi in un tempo relativamente breve, il fatto che i vari brevetti CRISPR siano controllati da poche entità ha talvolta rallentato o impedito ad alcuni prodotti agricoli di arrivare sul mercato”, ha dichiarato Ringeisen dell’IGI in una risposta via e-mail.

Ma aggiunge che ci sono stati continui progressi nella scoperta e nell’utilizzo di strumenti di editing genetico correlati che non sono già vincolati da brevetti.

Nel frattempo, i rivenditori di alimenti naturali, gli scettici degli organismi geneticamente modificati e altri hanno criticato aspramente la posizione dell’USDA sulla regolamentazione e l’etichettatura degli alimenti geneticamente modificati. Essi sostengono che le colture alterate hanno avuto conseguenze ambientali dannose e che le regole non forniscono ai consumatori la trasparenza necessaria per fare scelte informate sugli alimenti che acquistano e consumano.

Doudna sottolinea che è fondamentale usare CRISPR e strumenti simili con cautela. Ma afferma che gli Stati Uniti hanno trovato il giusto equilibrio nel loro approccio alla regolamentazione e all’etichettatura.

“È davvero informato. Si basa davvero sulla scienza”, afferma l’autrice. “Piuttosto che guardare a come è stata creata quella pianta o quella coltura, la domanda è: qual è il prodotto finale?”.

Secondo l’autrice, l’IGI si è sforzato di agire come “voce della ragione” su questi temi, aiutando a contrastare paure e incomprensioni fornendo informazioni scientifiche su come il CRISPR possa essere usato per curare le malattie umane, aiutare gli agricoltori ad adattarsi ai cambiamenti climatici o affrontare altre minacce nella vita delle persone.

“Fin dall’inizio, naturalmente, era chiaro che si sarebbe trattato di uno strumento potente, che avrebbe potuto essere frainteso e utilizzato in modo improprio”, afferma l’autrice. “Ma ha anche un enorme potenziale per aiutarci ad affrontare molte di queste sfide”.