Rifacendosi a uno studio sul controllo della malaria modificando il genoma di una specie di zanzara, un team di scienziati ha sviluppato il primo gene drive applicato alle piante agrarie, il cui obiettivo è rispondere al bisogno globale di colture più produttive e resilienti.

TAKEAWAY

• Il CRISPR Cas9 in agricoltura può contribuire a un sistema alimentare più sostenibile. Ad affermarlo non è solo la scienza, ma anche la Commissione europea.
• Una particolare applicazione del CRISPR lo vede al centro del “gene drive”, tecnica volta a favorire la trasmissione di una determinata variante genetica all’interno di una specie vegetale o animale.
• Un esempio di applicazione di gene drive viene da uno studio sul controllo della malaria modificando il genoma di una specie di zanzara. Rifacendosi proprio a questo studio, un team di scienziati ha sviluppato il primo gene drive applicato alle piante agrarie, il cui obiettivo è rispondere al bisogno globale di colture più produttive e resilienti.

---

La tecnica di editing genomico CRISPR Cas9 in agricoltura può contribuire a un sistema alimentare più sostenibile. Ad affermarlo non è solo la scienza, ma anche la Commissione europea che, il 29 aprile 2021, ha pubblicato un rapporto sulle nuove tecniche genomiche, evidenziandone il loro potenziale e invitando gli Stati membri ad aggiornare la politica in materia.

Sappiamo che il sistema CRISPR Cas9 si basa sull’impiego della proteina Cas9, in grado di tagliare con precisione un DNA bersaglio all’interno del genoma di una cellula animale, umana o vegetale: il taglio viene eseguito in un punto specifico grazie all’utilizzo di una “guida”, ossia di una breve sequenza di RNA complementare al segmento del gene in questione, e permette di eliminare sequenze di DNA e di sostituirle con altre, andando così a modificare il genoma o a correggere mutazioni dannose.

In ambito vegetale, le modificazioni di parti della sequenza del DNA rendono molto più preciso e rapido lo sviluppo di varietà di piante agricole più resistenti agli agenti patogeni e alle diverse condizioni ambientali e climatiche, più produttive, più ricche di principi nutritivi e, dunque, in grado di nutrire una popolazione sempre più in crescita. Ricordiamo che si tratta comunque di una tecnica che non si serve dell’inserimento di DNA estraneo mediante geni provenienti da altre specie.

Avvalendosi dell’editing genomico, ad esempio, è stato possibile creare un particolare tipo di seme di cotone, privo di aldeide – sostanza tossica per l’uomo, che ha sempre impedito la commestibilità di questa pianta – e ricco di proteine e di fibre. Così come proseguono le sperimentazioni per rendere la vite sempre più resistente alle infezioni fungine.

Un’altra applicazione del metodo CRISPR lo vede al centro della generazione di fenomeni di “gene drive”, tecnica volta a favorire la trasmissione di una determinata variante genetica all’interno di una specie vegetale o animale, in modo da rendere, in poche generazioni, una popolazione omogenea per la variante genetica selezionata.

Un esempio di applicazione di gene drive viene da uno studio sul controllo della malaria (segmento di studi in cui, in realtà, questa tecnica è nata), di cui si è parlato a maggio del 2020 in un articolo sulla rivista Nature Biotechnology: modificando il genoma delle zanzare che trasmettono il plasmodio della malaria, è possibile – in  base ai risultati di tale ricerca – che si riproducano soltanto gli esemplari del sesso che non punge, facendo così collassare la riproduzione di popolazioni di insetti vettori della malattia.

CRISPR Cas9 in agricoltura: il lavoro dell’Università di San Diego

Rifacendosi proprio allo studio sul controllo della malaria, un team di scienziati dell’Università di San Diego, in collaborazione col Salk Institute for Biological Studies, entrambi in California, ha sviluppato il primo gene drive basato su CRISPR Cas9 applicato alle piante agrarie, di cui si parla approfonditamente in un articolo pubblicato il 22 giugno 2021 sulla rivista Nature Communications.

Questa ricerca, in realtà, fa parte di un inedito filone inaugurato dal Tata Institute for Genetics and Society (TIGS), in seno all’ateneo di San Diego, che sfrutta una nuova tecnologia denominata “genetica attiva“, tesa a influenzare l’ereditarietà della popolazione (umana, animale e vegetale) in una varietà di applicazioni.

L’obiettivo di questo lavoro sul CRISPR Cas9 in agricoltura è rispondere al bisogno concreto, a livello globale, di colture più produttive e resilienti, in grado di resistere alle malattie e al dilagare – in seguito agli impatti dei cambiamenti climatici e del riscaldamento globale – del fenomeno della siccità.

Cuore della ricerca – effettuata in laboratorio sulla pianta Arabidopsis – la rottura con le tradizionali regole di ereditarietà, che impongono che la “prole” acquisisca materiale genetico equamente da ciascun genitore. Questo studio, invece, utilizza il sistema CRISPR-Cas9 per trasmettere tratti specifici e mirati da un singolo genitore alle generazioni successive. Sottolinea il professor Yunde Zhao, della Divisione di scienze biologiche dell’Ateneo di San Diego:

“Questo lavoro sfida i vincoli genetici della riproduzione sessuale, che – anche per quanto riguarda gli organismi vegetali – vuole che la ‘prole’ erediti il 50% del proprio materiale genetico da ciascun gamete. I risultati che abbiamo ottenuto, invece, consentono l’ereditarietà, da un solo genitore (gamete), di entrambe le copie di geni, andando così a eliminare quei caratteri indesiderati perché deboli”

Il ruolo del gene drive nel favorire la trasmissione di una determinata variante genetica all’interno delle piante

In genetica si definiscono “alleli” le due (o più) forme alternative dello stesso gene che si trovano nella stessa posizione su ciascun cromosoma omologo.

Ebbene, le unità genetiche basate su CRISPR Cas9 sono in grado di generare una trasmissione distorta di un allele e di convertire gli eterozigoti in omozigoti negli insetti e nei topi. Ma una strategia simile non era mai stata implementata nelle piante. E questo a causa di un problema tecnico, ossia la mancanza di un’efficiente riparazione diretta dall’omologia.

Problema che – nell’ambito della ricerca sul CRISPR Cas9 in agricoltura – il team di scienziati ha risolto posizionando un “gene drive” (detto anche “drive genetico”) all’interno della sequenza del DNA della pianta Arabidopsis. Questa tecnica è capace di propagare una particolare suite di geni in una popolazione, alterando la probabilità che un allele specifico venga trasmesso alla prole (in questo caso la nuova pianta).

Questa strategia ha consentito – modificando il genoma della pianta utilizzata in laboratorio – l’eliminazione di caratteri indesiderati e l’accelerazione dell’impilamento di quei caratteri che si desiderava rafforzare.

La riproduzione sessuale costringe la progenie a ereditare geni allelici da entrambi i genitori (i gameti in questo caso). L’acquisizione selettiva di geni bersaglio da un solo genitore nella generazione di piante Arabidopsis ha molte potenziali applicazioni. Osserva il direttore del Tata Institute for Genetics and Society, Suresh Subramani:

“Questo lavoro sul gene drive applicato agli organismi vegetali contribuirà a rivoluzionare il mondo dell’agricoltura, aiutando ad affrontare il problema dell’approvvigionamento alimentare globale. Inoltre, apre ad applicazioni future sugli organismi animali, andando oltre il mondo degli insetti, oggetto di studio di precedenti ricerche”