Gli scienziati della Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) sono riusciti a modificare geneticamente una proteina vegetale responsabile dell’accumulo di olio nei semi e nelle noci commestibili. La pianta Arabidopsis thaliana utilizzata nella sperimentazione, a dimostrazione del metodo in attesa di brevetto, ha accumulato dal 15 al 18% di olio in più nei suoi semi quando è stata coltivata con la proteina modificata in condizioni di laboratorio.
Trovare metodi per far sì che le colture producano più olio nei loro semi è un Santo Graal per l’industria agricola, tuttavia, la maggior parte delle colture produttrici di olio, come palma da olio, soia, girasole, colza, arachidi, hanno già un’alta percentuale di olio nei frutti o nei semi ed è difficile aumentare il contenuto di olio attraverso i metodi tradizionali di incrocio delle colture.
Gli oli vegetali sono comunemente usati nella lavorazione degli alimenti, nei biocarburanti, nei saponi e nei profumi (è un mercato globale stimato in 241,4 miliardi di dollari nel 2021, si prevede che aumenterà a 324,1 miliardi di dollari entro il 2027). L’aumento della resa di olio dalle piante potrebbe anche aiutare il mondo nella sua ricerca di sostenibilità, contribuendo a ridurre la quantità di terra arabile necessaria per le colture oleaginose.
Il segreto per aiutare le piante a immagazzinare più olio nei semi è una loro proteina chiamata WRINKLED1 (WRI1). Gli scienziati sanno da oltre due decenni che WRI1 svolge un ruolo importante nel controllo della produzione di olio nei semi delle piante.
Ora, per la prima volta, il team di scienziati della Nanyang Technological University di Singapore, guidato dal Professore Associato Gao Yonggui e dal Professore Assistente Ma Wei della Scuola di Scienze Biologiche, ha fotografato e riportato una struttura ad alta risoluzione della proteina WRINKLED1 (WRI1).
Il team di scienziati nello studio pubblicato nella rivista Science Advances, ha descritto in dettaglio la struttura molecolare di WRI1 e il metodo in cui si lega al DNA della pianta, in questo modo segnala alla pianta la quantità di olio da accumulare nei semi.
Il team di scienziati sulla base della comprensione che la struttura atomica del complesso WRI1-DNA ha rivelato, nel tentativo di migliorare la resa in olio, hanno modificato WRI1 per aumentare la sua affinità con il DNA. Hanno selezionato alcune porzioni di WRI1 da modificare per migliorare il suo legame con il DNA e sono state prodotte diverse forme di WRI1; in seguito questi WRI1 candidati sono stati ulteriormente testati per valutare la loro capacità di attivare la produzione di olio nelle cellule vegetali.
Il team di scienziati come previsto ha dimostrato che le versioni modificate di WRI1 aumentavano il legame con il DNA di dieci volte rispetto al WRI1 originale, portando infine a una maggiore quantità di olio nei semi.
Gao Yonggui biologo strutturale, ha dichiarato:
«Essere in grado di vedere esattamente l’aspetto di WRI1 e come si lega al DNA responsabile della produzione di olio nella pianta è stata la chiave per comprendere l’intero processo. WRI1 è un regolatore essenziale che comunica alla pianta la quantità di olio da immagazzinare nei semi. Una volta che siamo stati in grado di visualizzare la “serratura”, abbiamo poi ingegnerizzato la “chiave” che può sbloccare il potenziale di WRI1».
Come funziona la modifica di WRI1
Il team di scienziati analizzando a livello atomico la struttura cristallina della proteina WRI1 e i filamenti di DNA a doppia elica a cui si lega, ha notato che questo dominio di legame del DNA era ampiamente conservato. Ciò significa che le variazioni sono minime e inesistenti, suggerisce che potrebbe trattarsi di un meccanismo di legame comune a molte specie vegetali.
Il team di scienziati utilizzando la struttura cristallina di WRI1 come “bersaglio”, ha cercato di modificare WRI1 per aumentare l’affinità di legame della proteina con il DNA bersaglio. Le istruzioni per la codifica di questa proteina WRI1 modificata vengono quindi introdotte nelle cellule della pianta bersaglio, che poi utilizzerà questo nuovo “set di istruzioni” ogni volta che produrrà WRI1.
Il team di scienziati negli esperimenti di laboratorio per osservare come la WRI1 modificata influisce sull’accumulo di olio, hanno iniettato nelle foglie di Nicotiana benthamiana sia la proteina modificata sia la forma non modificata, in seguito sono stati analizzati i livelli di triacilglicerolo (una delle principali forme di lipidi alimentari presenti nei grassi e negli oli). La proteina WRI1 modificata ha generato picchi più significativi nella produzione di triacilglicerolo rispetto alla pianta di controllo introdotta con la forma WRI1 non modificata.
Esperimenti successivi hanno dimostrato che il contenuto di olio nei semi dell’Arabidopsis thaliana modificata era maggiore rispetto alla forma non modificata, anche la progenie di questa pianta geneticamente modificata porterà la stessa proteina WRI1 modificata e produrrà più olio nei suoi semi.
Ma Wei biologo molecolare delle piante che studia la WRI1 fin dalla sua formazione post-dottorato, ha detto:
«Modificare la WRI1 per migliorare il suo legame con il DNA è stata una mossa logica per il team. Sappiamo che WRI1 è una proteina che si lega alla sequenza di DNA di una pianta e avvia una specifica catena di istruzioni che regola l’accumulo di oli nei semi. Più forte è il legame, più olio la pianta concentrerà nei suoi semi. Pertanto, abbiamo scelto di migliorare la porzione di WRI1 che si lega al suo DNA bersaglio, che è altamente conservato in molte piante portatrici di semi. L’elevata conservazione significa che molte specie di piante avranno lo stesso meccanismo che può essere modificato, quindi in futuro, dovremmo essere in grado di tradurre facilmente la nostra modifica per la produzione di olio in molti tipi diversi di colture. L’olio di semi vegetali è fondamentale per la dieta umana, è utilizzato in molte importanti applicazioni industriali. La domanda globale di olio vegetale sta aumentando rapidamente, la nostra ricerca contribuisce agli sforzi per migliorare la produzione di olio di semi in modo sostenibile, riducendo potenzialmente l’impatto ambientale dell’agricoltura».
Il team di scienziati della Nanyang Technological University di Singapore ha depositato un brevetto per il proprio metodo di modificazione genica tramite NTUitive, l’ufficio per l’innovazione e le imprese dell’Università, ora sta cercando partner industriali per commercializzare la propria invenzione.
Lo studio è in linea con il piano strategico NTU2025 e con il Manifesto per la sostenibilità dell’Università, che mira alla ricerca e allo sviluppo di nuove tecnologie per un futuro più verde.
Il professor William Chen, direttore del Programma di Scienze e Tecnologie Alimentari del NTU, commentando come esperto indipendente, ha affermato:
«Ci sono alcuni modi per affrontare la fame nel mondo, tra cui l’aumento della quantità di cibo prodotto o l’aumento delle calorie e del valore nutrizionale del cibo prodotto, in un mondo in cui le terre coltivabili per l’agricoltura sono limitate, se vogliamo affrontare la fame nel mondo è necessario ricorrere a tecnologie avanzate per coltivare più cibo con un valore nutrizionale più elevato. Se riusciamo ad aumentare il contenuto di grassi nei semi e nelle noci commestibili, una persona può mangiarne una quantità minore ma sentirsi comunque sazia, grazie all’aumento delle calorie consumate, quindi, invece di coltivare più colture per nutrire più persone, dovremmo anche studiare metodi in cui le colture coltivate abbiano più calorie e nutrimento, in modo che la stessa quantità di cibo possa nutrire più persone».
