Agrobacterium tumefaciens e A. rhizogenes: Gene Delivery

Tra le ultime frontiere delle biotecnologie c’è la possibilità di veicolare materiale genetico esogeno da un organismo all’altro. Come nella maggior parte dei processi biologici, l’uomo non ha inventato niente, ma “prende in prestito” sistemi appartenenti al mondo naturale, solitamente microbico. Un esempio è rappresentato da un naturale sistema di “delivery”, veicolazione genica, che alcuni batteri del suolo utilizzano quotidianamente per garantirsi la sopravvivenza, in particolare parliamo del genere Agrobacterium.

Il genere Agrobacterium

Agrobacterium è un genere di batteri gram negativi che vivono nel suolo, e usano il trasferimento genico orizzontale per trasportare parte del loro materiale genetico accessorio nelle piante, dove causeranno tumori di varia natura.

Agrobacterium tumefaciens

A. tumefaciens è tra i più studiati, responsabile della produzione del tumore “galla del colletto” in molte dicotiledoni. In seguito ad una ferita, la pianta rilascia acetosingone, che viene captato da recettori del batterio. A questo punto si attivano i geni della virulenza (Vir), presenti sul plasmide batterico Ti (Tumor inducing). Questi hanno il compito di excidere una porzione del plasmide, chiamata T-DNA, veicolarla attraverso un poro nella cellula vegetale. Qui andrà ad integrarsi stabilmente nel genoma di quest’ultima.

T-DNA

Il T-DNA contiene oncogeni che codificano per importanti ormoni delle piante, quali auxina e citochinina, e per le opine, derivati amminoacidici usati come fonte di nutrimento dal batterio. Le cellule infettate si divideranno più velocemente, formando una protuberanza a livello del colletto, e produrranno opine, che saranno utilizzate dal batterio, che possiede anche i geni per il loro catabolismo.

Sostituendo gli oncogeni con un gene d’interesse, l’uomo sfrutta un naturale sistema di delivery per avere trasfezione di cellule vegetali, anche se solitamente con la limitazione delle sole dicotiledoni.

Agrobacterium rhizogenes

Agrobacterium rhizogenes, usa un meccanismo del tutto simile, con l’eccezione di avere il plasmide Ri (root inducing), per indurre la produzione di un’elevata biomassa di radici avventizie molto ramificate nelle piante infette, definite hairy roots. Anche in questo caso, la natura ha messo a disposizione un perfetto sistema di delivery, utilizzato prevalentemente per la produzione di metaboliti secondari a livello industriale.

Produzione di metaboliti secondari

Le piante sono tra i principali produttori di metaboliti secondari, molecole solitamente dall’alto valore aggiunto che non sono essenziali per la sopravvivenza dell’organismo produttore. Ci sono varie categorie di metaboliti secondari prodotti dalle piante, tra le quali possiamo annoverare:

alcaloidi (es. caffeina, nicotina)
fenoli (es. tannini responsabili della colorazione)
terpeni (antitumorale pacitraxel)
etc.

Hairy roots

La produzione di metaboliti secondari rappresenta una buona fetta di guadagno per le imprese che lavorano in questo settore. Un problema economico è che questi metaboliti vengono prodotti in piccola quantità dalle piante produttrici. Uno dei metodi per aggirare questa problematica è l’utilizzo delle hairy roots. Colture di piante geneticamente modificate per ottenere hairy roots possono produrre un’elevata quantità di metaboliti secondari in specifici bioreattori. Possono anche essere utilizzate per rigenerare un’intera pianta che verrà così propagata clonalmente.

Un’importante applicazione delle hairy roots è la produzione di vaccini, la cui produzione su larga scala è costosa e richiede specifiche condizioni di stoccaggio, distribuzione e amministrazione. Le piante invece possono produrre proteine ricombinanti di interesse farmacologico o medico su larga scala. A. rhizogenes viene quindi impiegato come sistema per veicolare DNA esogeno all’interno della pianta. Serve anche per garantire una produzione stabile e in elevate quantità di proteine ricombinanti che verranno in seguito recuperate, purificate e aggiunte alla composizione del vaccino.

Si ringrazia la dott.ssa Silvia Neva per la stesura dell’articolo “Agrobacterium tumefaciens e Agrobacterium rhizogenes: avanguardia nel Gene Delivery”.