IA ed editing genetico possono combattere la fame nel mondo?
L’editing genetico e l’intelligenza artificiale possono rivoluzionare l’agricoltura?
Il lungo articolo di Tim Schauenberg su Deutsche Welle (DW), emittente internazionale tedesca, ci dà lo spunto per parlare di intelligenza artificale ed editing genetico e nello specifico se, combinando intelligenza artificiale ed editing genetico, si possa combattere la fame nel mondo.
Partiamo dal fatto che scienziati ed esperti di sicurezza alimentare affermano che, per nutrire la popolazione mondiale, dobbiamo creare piante ad alto rendimento e resistenti al clima.
Un rapporto del World Resource Institute (WRI) ha recentemente affermato che per nutrire la popolazione mondiale, gli esseri umani devono produrre di più, ma senza ricorrere a un maggiore utilizzo delle risorse e della terra.
“C’è un divario del 50% tra il cibo prodotto oggi e quello di cui avremo bisogno nel 2050, solo per nutrire adeguatamente le persone”, ha affermato Janet Ranganathan, esperta di nutrizione al WRI e coautrice del rapporto, aggiungendo che l’espansione del frontiera agricola significherebbe “dire addio ai restanti ecosistemi naturali.
Una possibilità? Diventare tutti vegetariani
Produrre ciò di cui abbiamo bisogno per mangiare comporta un enorme onere sia per il clima che per l’ambiente. Allo stesso tempo, la distruzione dei raccolti causata da tempeste, siccità e ondate di caldo minacciano la sicurezza alimentare di una popolazione globale in crescita.
Un modo per far fronte a questa enorme sfida sarebbe quello di convertire i terreni attualmente destinati alla produzione di carne e alle colture per l’alimentazione animale per le piante al consumo umano. Ma questo richiederebbe che tutti nel mondo diventassero vegetariani. Scenario in pratica irrealistico e che probabilmente causerebbe altri enormi problemi.
Per risolvere il problema, gli scienziati stanno pensando di combinare l’intelligenza artificiale e il sistema CRISPR-CAS9.
Il sistema CRISPR/Cas9
Il sistema CRISPR/Cas9 (pronuncia crisper) si basa sull’impiego della proteina Cas9, una sorta di forbice molecolare in grado di tagliare un DNA bersaglio, che può essere programmata per effettuare specifiche modifiche al genoma di una cellula, sia questa animale, umana o vegetale.
A seguito del taglio introdotto da Cas9, attraverso opportuni accorgimenti, è infatti possibile eliminare sequenze di DNA dannose dal genoma bersaglio oppure è possibile sostituire delle sequenze, correggendo ad esempio delle mutazioni causa di malattie.
La scoperta di CRISPR/Cas9 ha per la prima volta reso sensato ipotizzare il trattamento di tutta una serie di patologie a base genetica per cui prima non era neppure possibile concepire un approccio terapeutico e reso possibile sviluppare ulteriori tecniche migliorative per l’editing genomico.
Il sistema CRISPR Cas9, a che cosa può servire 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.
Può contribuire a sviluppare supercolture resistenti al clima in grado di fornire rese più elevate con meno risorse. Basta modificare i geni delle piante.
Il riso offre un campo perfetto per la sperimentazione. Il riso, pianta molto avida d’acqua, è stato duramente colpito da un’estrema siccità che ha coinvolto molti paesi, dall’Italia alla Cina e al Pakistan. Una nuova varietà chiamata IR64 potrebbe aiutare. Cresce principalmente in Asia e in alcune parti dell’Africa, ma è venduto in tutto il mondo.
Il caso. Il riso IR64
La modifica genetica ha reso la pianta più resistente alla siccità. Necessita fino al 40% in meno di acqua rispetto alla varietà originaria. E mentre la pianta madre è morta dopo una settimana senza acqua, la metà delle piante modificate è sopravvissuta.
La mega varietà di riso IR64 – sviluppata dai ricercatori del CGIAR presso l’International Rice Research Institute (IRRI) – è stata coltivata in oltre 10 milioni di ettari entro trent’anni dal suo rilascio, salvando milioni di vite in tutto il mondo.
IR64 è stato rilasciato per la prima volta nelle Filippine nel 1985, presto seguito da versioni in Bhutan, Burkina Faso (come FKR42), Cambogia, Cina, Ecuador (come NIAP11), Gambia, India, Indonesia, Mauritania, Mozambico, Vietnam e regioni saheliane di Africa occidentale. Dalla sua introduzione, il ceppo ha contribuito notevolmente ai redditi degli agricoltori attraverso rese più elevate e una migliore qualità del riso, che a sua volta ha portato a prezzi più elevati e a maturità precoce, consentendo una maggiore intensità di raccolto. Oltre ad essere una varietà autonoma di qualità che ora viene coltivata nella maggior parte dei paesi che coltivano riso, l’IR64 è stato anche un progenitore in migliaia di incroci nel corso degli anni diventando un grande fattore di impatto sulla sicurezza alimentare mondiale.
Forbici genetiche: rivoluzione o pericolo?
L’editing del genoma è fondamentalmente diverso dall’ingegneria genetica tradizionale.
“In realtà si basa su processi naturali. Ma rende il processo di mutazione molto meno casuale”, ha affermato Detlef Weigel, biologo della Max Planck Society in Germania.
La maggior parte dei prodotti geneticamente modificati, siano essi animali o vegetali, sono stati impiantati con un gene artificiale o un gene proveniente da un altro organismo. Il cotone o il mais resistenti agli insetti, ad esempio, contengono un gene che originariamente proveniva da un batterio.
Invece di utilizzare DNA estraneo, l’editing genetico può modificare il codice genetico utilizzando il DNA di un organismo. Con speciali enzimi che funzionano come forbici, i geni della pianta possono essere cancellati, scambiati o ripetuti.
Ci vorrebbero molte dozzine di generazioni riproduttive per trasferire un singolo gene mediante incrocio naturale. E questo richiederebbe semplicemente troppo tempo per essere fattibile, ha spiegato Weigel. “Quindi l’editing del genoma è davvero super potente perché puoi andare nel singolo gene, cambiarlo. E voilà!”
Mentre l’incrocio può richiedere più di dieci anni per ottenere il risultato desiderato, l’editing genetico richiede solo pochi mesi e la fase di test alcuni anni.
Le “banane intelligenti” sono una buona idea?
E non si tratta solo di riso resistente alla siccità. Alcuni studi dimostrano che è possibile aumentare la resa dei pomodori fino al 70%. Altri stanno cercando di coltivare semi di soia in terreni aridi e salini o di ridurre le emissioni di metano dal riso. E gli scienziati kenioti stanno sviluppando quella che chiamano una ” banana intelligente”. Nel loro laboratorio sono riusciti ad attivare un gene che attiva il sistema immunitario della pianta come misura preventiva contro un virus che si attiva durante la siccità.
Nessuno di questi metodi è però completamente esente da rischi e incertezze, principalmente perché molti degli impianti del progetto sono ancora in fase di ricerca e non ci sono dati sufficienti. Ma gli oppositori della ricerca genetica criticano l’editing genetico come un pericoloso esperimento con la natura.
Alcuni esperti indicano casi in cui si sono verificati cambiamenti genetici involontari o in cui sono state cancellate molte più informazioni genetiche di quanto previsto.
Inoltre, i geni che aiutano ad aumentare i raccolti in alcuni periodi di siccità li fanno diminuire negli anni piovosi. E poiché un gran numero di geni è coinvolto in questi tratti, di solito non è sufficiente attivarne o disattivarne uno o due.
L’intelligenza artificiale può essere di aiuto?
Meno una coltivazione è ottimizzata, più è facile migliorarla. Di conseguenza, il sistema CRISPR/Cas9 offre il massimo potenziale per vecchie varietà che non sono ancora state coltivate su scala industriale.
Ad esempio, miglio, farro e yucca sono già più resistenti ai cambiamenti climatici, ma l’allevamento per renderli ampiamente praticabili per la produzione di massa è ancora agli inizi.
“Possiamo portare molto rapidamente quelle colture in un luogo in cui è possibile coltivarle e quindi iniziare a diversificare ulteriormente il nostro sistema alimentare”, ha affermato William Pelton, CEO della start-up Phytofrom.
Utilizzando l’intelligenza artificiale, Phytoform sta cercando di identificare ancora più opportunità di ottimizzazione dei geni. I suoi algoritmi possono elaborare rapidamente volumi di dati che richiederebbero anni per un singolo individuo. La tecnologia è avanzata al punto che alcuni algoritmi comprendono già i set di dati del DNA molto meglio degli esseri umani.
“L’IA può iniziare a individuare segmenti del genoma che si ripetono e quindi iniziare a ricavarne un significato”, ha affermato Pelton. “E, naturalmente, ciò significa che non solo l’IA può comprendere il DNA, ma può anche suggerire modifiche da apportare per influenzare il risultato”.
Sbloccare il potenziale genetico delle piante
Phytoform si propone di migliorare la sostenibilità agricola attraverso un approccio innovativo. Ha sviluppato una soluzione che produce nuovi tratti genetici vegetali in mesi anziché in anni e a un costo minore rispetto alle tecnologie convenzionali OGM. Mira a piccoli cambiamenti nelle sequenze di DNA per creare il massimo impatto sulle colture realizzando varietà di piante più resistenti e meno soggette a perdite di raccolto.
Phytoform, per esempio, sta lavorando su una patata che non diventi marrone quando viene colpita o ammaccata, il che potrebbe portare a un minor numero di patate gettate via sebbene ancora commestibili. Stanno anche lavorando sui lupini, che esistono da migliaia di anni ma si vedono raramente sugli scaffali dei supermercati.
I lupini sono molto ricchi di proteine e sostanze nutritive e potrebbero essere più ampiamente utilizzati per la carne a base vegetale. Gli algoritmi di Phytoform stanno cercando di capire come rendere il raccolto più produttivo e risolvere i problemi di qualità.
La Cina è molto aperta all’editing del genoma e sta investendo massicciamente nella tecnologiaImmagine: Wei Liang/dpa/HPIC/picture alliance
Il mondo si prepara per le forbici genetiche
La ricerca sulle piante geneticamente modificate sta prendendo piede in tutto il mondo. Mentre nel 2011 sono stati depositati solo pochi brevetti, nel 2019 erano quasi 2.000, la maggior parte dei quali provenienti da aziende private o istituti di ricerca pubblici.
A differenza della modificazione genetica, che introduce geni estranei in una pianta, l’editing genetico altera i geni esistenti.
La tecnologia è considerata meno rischiosa degli OGM ed è regolamentata in modo più soft in alcuni paesi, tra cui la Cina, che ha pubblicato le regole sull’editing genetico lo scorso anno.
In realtà, la Cina sta investendo molto nell’editing genetico e ha recentemente approvato una soia geneticamente modificata, affidandosi sempre più alla scienza per aumentare la propria produzione alimentare.
La soia, sviluppata dalla società privata Shandong Shunfeng Biotechnology Co. ha due geni modificati, che aumentano significativamente il livello di acido oleico grasso sano nella pianta. Il certificato di sicurezza è stato approvato per cinque anni dall’aprile di quest’anno Shunfeng afferma di essere la prima azienda in Cina a cercare di commercializzare colture geneticamente modificate.
Attualmente sta ricercando circa altre 20 colture geneticamente modificate, tra cui riso, grano e mais a resa più elevata, riso e soia resistenti agli erbicidi e lattuga ricca di vitamina C, ha affermato un rappresentante dell’azienda.
Anche la società con sede negli Stati Uniti Calyxt (CLXT.O) ha sviluppato una soia ad alto contenuto oleico, producendo un olio salutare che è stato il primo alimento geneticamente modificato ad essere approvato negli Stati Uniti nel 2019.
Con gli Stati Uniti e la Cina, così come le multinazionali, che investono pesantemente nella tecnologia, si prevede che entro la fine del decennio ne emergerà un mercato multimiliardario.
Nella UE, le colture geneticamente modificate sono strettamente regolamentate, sebbene i sostenitori affermino che sarebbe più accurato parlare in termini di un nuovo metodo di allevamento rispetto alla manipolazione genetica.
Nel frattempo, negli Stati Uniti, in Cina e in molti paesi dell’America Latina, le colture geneticamente modificate non devono essere etichettate o controllate e il settore è pronto a lanciare una serie di colture nei prossimi anni. Anche l’India ha recentemente allentato le sue normative.
Ma indipendentemente dalle regole e per quanto avanzati siano i metodi più recenti, l’agricoltura convenzionale continuerà ancora a svolgere un ruolo fondamentale nell’alimentazione della popolazione globale.
Fonti
China approves safety of first gene-edited crop
CREATING THE CROPS WE NEED TO SAVE OUR FUTURE
EC study on new genomic techniques
Food security: Can AI and gene editing tackle global hunger? DW (English)
L’editing genetico e la tecnica CRISPR-CAS9: considerazioni etiche