Rispetto alle piattaforme microbiche, le piante - grazie alle loro capacità metaboliche intrinseche e al supporto dell’ingegneria genetica - sono potenzialmente in grado di produrre una più ampia varietà di zuccheri complessi contenuti nel latte materno, aprendo ad applicazioni rilevanti per la salute umana.

L’ampia letteratura esistente sulle proprietà del latte materno ne rimarca quella che, dagli scienziati, è considerata la sua componente principe, ovvero gli “oligosaccaridi del latte umano” (Human Milk Oligosaccharides – HMOs), presenti in un un’ampia varietà e coinvolti nel prezioso processo di costruzione del microbiota intestinale dei neonati [fonte: “Human Milk Oligosaccharides and Microbiome Homeostasis” – Comprehensive Glycoscience, 2021].

In base ai dati UNICEF sui tassi di allattamento al seno nei primi sei mesi di vita, nel 2023 i neonati alimentati con latte materno sono stati, a livello globale, il 48%, con il restante 52% alimentato mediante latte artificiale in polvere. Quest’ultimo è, però, privo di oligosaccaridi del latte umano o, al massimo, ne contiene solo uno o due tipi degli oltre duecento del latte materno, limitando, in questo modo, l’impatto positivo degli HMOs sulla salute degli infanti ai quali viene somministrato [fonte: “Human Milk Oligosaccharides: Health Benefits, Potential Applications in Infant Formulas, and Pharmacology” – National Library of Medicine, 2020].

Ma in che modo, oggi, gli studi nell’area delle biotecnologie e la conseguente produzione commerciale di oligosaccaridi del latte umano sono in grado di fare fronte a questa mancanza, integrando gli alimenti destinati ai lattanti? Procediamo per gradi.

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Takeaway

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La funzione biologica degli oligosaccaridi del latte umano

Gli Human Milk Oligosaccharides sono zuccheri complessi, presenti nel latte materno in concentrazioni assai elevate. Ad oggi, ne sono state individuate circa 200 strutture diverse, la cui composizione varia da donna a donna, in quanto influenzata da fattori genetici.

In realtà, gli HMOs non forniscono alcun valore nutrizionale diretto al neonato ma, poiché sono per lui impossibili da digerire, riescono a raggiungere integri l’intestino, dove «agiscono come prebiotici, favorendo, dunque, lacrescita di batteri intestinali benefici e generando, così, acidi grassi a catena corta, fondamentali per la salute dell’intero organismo». Sono altresì coinvolti nella modulazione delle risposte immunitarie e sono capaci di ridurre in modo selettivo «il legame di batteri e virus patogeni all’epitelio intestinale», prevenendo l’insorgenza di infezioni e di malattie [fonte: “Human milk oligosaccharides: Shaping the infant gut microbiota and supporting health” – Journal of Functional Foods, settembre 2020].

La funzione prebiotica degli oligosaccaridi del latte umano fu descritta per la prima volta nel 1954 e, nei decenni successi, gli scienziati si sono via via focalizzati sulle loro molteplici attività a livello biologico, fisiologico e protettivo.

In particolare, da alcuni anni, la ricerca si occupa della funzione degli HMOs anche in età adulta, in qualità di prebiotici capaci di potenziare la flora batterica che popola l’intestino, lenire le infiammazioni del tratto gastrointestinale e trattare i disturbi del colon irritabile [fonte: “The Effects of Human Milk Oligosaccharides on Gut Microbiota, Metabolite Profiles and Host Mucosal Response in Patients with Irritable Bowel Syndrome” – Nutrients, settembre 2021].

Produzione di oligosaccaridi del latte umano basata su fermentazione microbica

Il metodo convenzionale di produzione di oligosaccaridi del latte umano, con i quali rendere più simile al latte materno quello artificiale, poggia sui sistemi microbici, in cui il batterio dell’Escherichia coli emerge quale piattaforma di elezione per la creazione di fabbriche di cellule microbiche, insieme al batterio Lactococcus lactis e al lievito di birra (detto “Saccharomyces cerevisiae”).

Nel dettaglio, la produzione avviene per mezzo della fermentazione microbica all’interno di bioreattori, in cui zuccheri semplici come, ad esempio, il lattosio (recuperabile senza problemi ed economico), utilizzati dalle cellule microbiche come substrato, vengono convertiti in zuccheri complessi [fonte: “Production of HMOs using microbial hosts – from cell engineering to large scale production” – Current Opinion in Biotechnology, aprile 2019].

«Le fabbriche di cellule microbiche funzionano a temperature relativamente basse, non richiedono enzimi costosi, impiegano materie prime semplici e possiedono l’elevata specificità dei biocatalizzatori, il che le rende ottimi mezzi per la produzione su scala industriale di oligosaccaridi del latte umano» viene evidenziato dagli autori di uno studio pubblicato su Molecules a febbraio del 2023 (“Microbial Production of Human Milk Oligosaccharides”). E rammentando che gli Human Milk Oligosaccharides sono formati essenzialmente da cinque monosaccaridi base (D-glucosio, D-galattosio, N-acetilglucosamina, L-fucosio e acido N-acetilneuraminico), fanno notare come quasi tutti loro contengano un “motivo di lattosio” all’estremità, che può essere “allungato” – ad esempio – con l’aggiunta di acido L-fucosio e di N-acetilneuraminico, dando così origine a diverse strutture di zuccheri complessi, come quelle che compongono gli oligosaccaridi osservati nel latte umano

Focus sulle piante e sul loro metabolismo dello zucchero

Un team di ricerca afferente ai dipartimenti di biologia vegetale e microbica dell’University of California di Berkeley e dell’University of California di Davis, in un recente lavoro dal titolo “Engineered plants provide a photosynthetic platform for the production of diverse human milk oligosaccharides”, apparso su Nature Food il 13 giugno 2024, commenta l’attuale produzione di HMOs fondata sulla fermentazione microbica come sufficiente a immettere sul mercato solo da due a cinque oligosaccaridi dei circa 200 presenti nel latte materno. È un po’ poco, considerata l’aumentata domanda, negli ultimi anni, di latte artificiale per neonati e di alimenti dalle proprietà prebiotiche anche da parte di consumatori adulti.

«Urge sviluppare piattaforme biologiche per produrre una più ampia varietà di Human Milk Oligosaccharides» osserva il gruppo di studio. E il focus va sulle piante «che, a differenza di molti microbi utilizzati nell‘ambito della fermentazione, si sono evolute al punto da creare, a partire dalla CO2 fissata con il processo di fotosintesi, un’ampia gamma di polisaccaridi, comprendenti una varietà di zuccheri nucleotidici».

In breve, le piante si nutrono di luce e di anidride carbonica che, poi, impiegano per produrre zuccheri semplici e complessi. E questo processo, unitamente all’essere organismi vegetali coltivabili, fa di loro una possibile, nuova, piattaforma per la produzione su larga scala di HMOs.

«Dal momento che le piante possiedono già il metabolismo dello zucchero, perché non provare a reindirizzarlo per produrre oligosaccaridi del latte umano?» si chiedono – non senza retorica – gli autori.

Dai sistemi microbici alle piante geneticamente modificate

I ricercatori dei due Atenei californiani hanno testato le capacità metaboliche uniche delle piante, col fine di ottenere una vera e propria gamma di oligosaccaridi del latte umano. Nello specifico, l’esperimento ha visto l’impiego di una pianta originaria dell’Australia, denominata “Nicotiana benthamiana”, parente stretta della pianta di tabacco.

Tutti gli zuccheri complessi, inclusi gli oligosaccaridi del latte materno – ricordano gli autori – sono formati da zuccheri semplici (i cosiddetti “monosaccaridi”), collegati tra loro quasi a formare una serie di catene fitte e ramificate. La peculiarità degli HMOs è data da un insieme di catene ramificate atte a creare collegamenti “specifici” tra gli zuccheri semplici.

Il team, avvalendosi di tecniche di ingegneria genetica e, più in particolare, della tecnica del DNA ricombinante, ha isolato e tagliato il gene responsabile della formazione di tali “connessioni specifiche” tra gli zuccheri semplici degli oligosaccaridi di latte umano, per poi introdurlo nella Nicotiana benthamiana.

Modificata nel proprio genoma, la pianta ha iniziato a produrre ben undici ceppi noti di oligosaccaridi del latte materno, insieme a una varietà di altri zuccheri complessi caratterizzati da schemi di collegamento simili.

Il secondo step del test ha, poi, visto la creazione di una linea di piante di Nicotiana benthamiana ottimizzate, con l’obiettivo di produrre un singolo oligosaccaride del latte umano chiamato Lacto-N-fucopentaose, considerato dagli studiosi particolarmente benefico per neonati e adulti, ma mai prodotto prima su larga scala (solo in laboratorio) mediante i tradizionali metodi di fermentazione microbica.

HMOs derivati dalle piante: processo di purificazione e valutazione dell’attività prebiotica

Prima di testare in vitro l’effettiva attività prebiotica (ovvero relativa alla crescita della flora batterica intestinale e al suo corretto nutrimento) degli zuccheri complessi estratti dalle piante geneticamente modificate, produttrici di oligosaccaridi del latte materno, il gruppo di lavoro ha prima purificato gli estratti vegetali grezzi, «in quanto possono contenere sostanze chimiche che interferiscono con i test di crescita batterica».

Il metodo adottato si è basato «sull’estrazione dell’acqua dalla pianta, sulla fermentazione del lievito per rimuovere gli zuccheri semplici e sull’assorbimento della resina, ricorrendo alle proprietà disgreganti delle molecole di polivinilpolipirrolidone. L’estratto di zuccheri così ottenuto si è rivelato ricco di HMOs, con quantità trascurabili di zuccheri semplici e di composti fenolici».

La funzione prebiotica degli HMOs prodotti dalle piante transgeniche è stata, quindi, comparata con quella degli oligosaccaridi contenuti nel latte umano, attraverso un test che ha misurato la curva di crescita di quello che è ritenuto uno dei primi colonizzatori del tratto gastrointestinale dei bambini, oltre che un noto consumatore di oligosaccaridi del latte materno, e cioè il Bifidobacterium longum Infantis.

«Abbiamo incluso nel test anche il Bifidobacterium animalis lactis come elemento di controllo negativo: non consuma HMOs, ma cresce su zuccheri semplici, che potrebbero essere presenti negli estratti vegetali o nel latte umano» spiega il team.

I risultati del test dimostrano che il Bifidobacterium longum Infantis sviluppatosi in ambiente contenente oligosaccaridi di derivazione vegetale ha registrato tassi di crescita simili a quelli del Bifidobacterium longum Infantis nutrito da latte umano, suggerendo – in questi primi esprimenti di laboratorio – che gli HMOs ricavati dalle piante transgeniche possiedono la medesima attività biologica degli HMOs di latte materno.

Glimpses of Futures

Quello descritto è solo il primo degli studi in materia di produzione vegetale di Human Milk Oligosaccharides, ottenuta inserendo il gene del legame tra gli zuccheri semplici del latte materno all’interno della pianta Nicotiana benthamiana. I primi esiti sono indicativi, tuttavia molto ancora c’è da fare affinché, un giorno, si possa arrivare alla produzione industriale.

Cercando di anticipare possibili scenari futuri, proviamo ad analizzare – attraverso la matrice STEPS – gli impatti che l’evoluzione degli integratori prebiotici (naturalmente presenti nel latte umano) derivati da piante geneticamente modificate, potrebbero avere su più fronti.

S – SOCIAL: il lavoro illustrato apre scenari interessanti, che vedono al centro la salute dell’essere umano. E non solo perché ha dimostrato, in un primo test in vitro, che gli HMOs prodotti da piante transgeniche possiedono proprietà prebiotiche importanti, al pari del latte umano, candidandosi, dunque, come integratori del latte artificiale per neonati e come integratori per adulti, ma anche perché, in futuro, potrebbe condurre alla scoperta di nuovi Human Milk Oligosaccharides ottenibili da altre piante geneticamente modificate, in grado di fungere da prebiotici per il trattamento, negli adulti, di patologie gastrointestinali e del sistema immunitario. «In uno scenario futuro, la produzione di HMOs dalle piante potrebbe addirittura consentirne il consumo diretto di queste come alimento, ingerendo direttamente la pianta o i prodotti ricavati da essa» avanzano i ricercatori. Inoltre, questa tipologia di prodotto vegetale, altamente ricca di sostanze che nutrono il microbiota intestinale, contribuendo al suo benessere, oltre che alla modulazione della risposta immunitaria, potrebbe, negli anni a venire, essere aggiunta al mangime destinato agli animali negli allevamenti, contribuendo al crearsi di una catena alimentare di prebiotici, con impatti positivi sul benessere fisico degli organismi umani.

T – TECHNOLOGICAL: in futuro, l’impiego di tecniche di intelligenza artificiale potrebbe supportare l’identificazione rapida di ulteriori tratti distintivi dei legami tra gli zuccheri semplici che formano gli oligosaccaridi del latte umano, dai quali poi risalire ai geni responsabili sui quali intervenire con la tecnica del DNA ricombinante, coinvolgendo altre tipologie di piante. L’obiettivo è ampliare il più possibile la gamma di ceppi di Human Milk Oligosaccharides derivati da piante transgeniche, superando le attuali undici tipologie (il latte umano ne conta quasi duecento). La produzione che sfrutta la fermentazione microbica, ad oggi, è arrivata a ottenerne al massimo cinque, dimostrando di non riuscire ad andare oltre e di non essere sufficientemente attrezzata per l’ottenimento di HMOs singoli e più specifici come, ad esempio, il Lacto-N-fucopentaose.

E – ECONOMIC: quella vegetale, per la produzione su larga scala di oligosaccaridi del latte umano, spicca come piattaforma competitiva in termini di costi. Alla luce della crescita della domanda di alimenti ricchi di HMOs, destinati ai neonati (il 52%, nel mondo, viene alimentato con latte artificiale, notoriamente privo dei preziosi prebiotici di cui è assai ricco il latte materno) così come agli adulti (l’IPA Europe – International Probiotics Association segnala che il mercato europeo dei probiotici è in crescita, con Germania, Francia, Regno Unito, Italia e Spagna che, insieme, ne rappresentano circa il 61%) se, in futuro, il metodo delle piante ingegnerizzate sostituisse del tutto quello della fermentazione microbica, si assisterebbe a un impatto significativo dal punto di vista economico. Pensiamo solo ai bioreattori – sede della trasformazione chimico-fisica degli zuccheri semplici in zuccheri complessi a opera di batteri come l’Escherichia coli – e alla quantità di energia di cui necessitano per funzionare, laddove, invece, la tecnica del DNA ricombinante sulla quale poggia la produzione di Human Milk Oligosaccharides mediante la Nicotiana benthamiana è decisamente a costi inferiori.

P – POLITICAL: il lavoro di ricerca illustrato reca la firma di due Atenei degli Stati Uniti, da oltre venticinque anni i primi produttori al mondo di alimenti geneticamente modificati. Il quadro giuridico europeo in materia è, invece, sempre stato contraddistinto da rigidità, come testimonia la direttiva (UE) 2015/412 sugli organismi transgenici, limitati o vietati del tutto all’interno dell’Unione, eccezion fatta per le importazioni, destinate, però, solo ai mangimi per gli animali di allevamento. Ma con l’approvazione del Parlamento europeo, il 7 febbraio 2024, della proposta di legge della Commissione sulle più recenti tecniche genomiche applicate all’agricoltura (comprese quelle del DNA ricombinante), la posizione dell’UE ha assunto un’apertura che – se verrà mantenuta nel tempo – in uno scenario futuro potrebbe accogliere favorevolmente l’introduzione di latte artificiale per neonati reso più completo e benefico grazie all’integrazione di oligosaccaridi del latte materno ottenuto da piante OGM, oltre che di prebiotici per adulti fatti degli stessi HMOs.

S – SUSTAINABILITY: la possibile, futura, produzione di HMOs per mezzo di piante OGM da integrare nel latte artificiale per neonati, avrebbe un impatto positivo sulla sostenibilità, declinato nelle variabili ambientale e sociale, sia perché sfrutterebbe impianti non energivori e dalla bassa impronta di carbonio rispetto ai bioreattori normalmente adottati nel processo di fermentazione microbica, sia perché potrebbe rappresentare, per milioni di bambini nelle aree più fragili del mondo (secondo i dati del Rapporto UNICEF 2024 sulla denutrizione infantile, «circa 181 milioni di bambini sotto i 5 anni, in tutto il mondo (uno su 4 quattro), stanno vivendo una grave povertà alimentare»), un importante strumento col quale arricchire la loro dieta di sostanze benefiche per la salute, funzionali al rafforzamento del loro sistema immunitario.