Dialoghi sull’Agroindustria - "Oltre la Terra: le microalghe come nuova frontiera della sostenibilità"

Ranalli: Le alghe sono un gruppo estremamente eterogeneo di organismi viventi, che spaziano da forme microscopiche unicellulari (microalghe) a organismi giganti pluricellulari lunghi decine di metri (macroalghe). Accomunate dalla capacità di essere autotrofe, vivono principalmente in acqua (dolce o salata), producono circa la metà dell'ossigeno atmosferico e rappresentano la base della catena alimentare acquatica: semplici nella struttura ma vitali per il pianeta. Grazie alla loro velocità di crescita e alla ricchezza di nutrienti, sono considerate una delle risorse chiave per l'economia verde del futuro. Infatti, alcune specie di macroalghe possono crescere fino a 50 cm al giorno, pertanto costituiscono una delle biomasse più rinnovabili ed efficienti del pianeta. La loro composizione chimica varia enormemente tra le migliaia di specie esistenti e questa versatilità di nutrienti e molecole sintetizzate determina i loro molteplici impieghi. La ricerca scientifica oggi non si limita a usare l'alga "intera", ma lavora come in una bioraffineria: estrae selettivamente ogni singolo nutriente (proteine, oli, zuccheri) per destinarlo all'industria più appropriata, riducendo al minimo gli sprechi.
Roberto, come esperto mondiale di fotosintesi, biologia vegetale e bioenergetica, con riguardo specificamente alle alghe, la tua attività si è concentrata principalmente su come questi organismi catturano la luce e la trasformano in energia chimica. È così?

Bassi: Sì. Questa è stata la prima domanda che mi sono posto da ricercatore all’orto botanico di Padova a cavallo tra gli anni 70 e 80 del secolo scorso. Cercando risposte, mi sono addentrato in una complessità strutturale e funzionale inaspettata. Ricordo bene come, dopo aver pubblicato i primi risultati sulla identità biochimica del fotosistema II, che era ancora sconosciuta, i colleghi mi spingessero ad approfondire quell’argomento, considerato fondamentale.  La comunità degli studiosi della fotosintesi era allora costituita soprattutto da bravissimi biofisici, come Pierre Joliot-Curie e Francis-André Wollman a Parigi, Jim Barber a Londra e Daniel Arnon a Berkeley. Wollman, mi ripeteva che la mia passione per la ricerca non poteva essere sprecata nello studio di quelle “scatole piene di clorofilla” che assorbivano fotoni ma erano prive di qualsiasi regolazione.  Tuttavia, pur amando la fisica, la mia cultura era fondamentalmente biologica e mi portava a guardare ai genomi per capire cosa fosse importante nella vita degli organismi. Negli anni ’80 si accumulavano i dati sulle sequenze geniche delle piante ed era chiaro che, mentre i componenti dei centri di reazione erano tutti codificati da pochi geni, quasi identici tra loro in specie diverse, le proteine LHC (Light Harvesting Complexes, che codificavano per le proteine antenna), erano molti e diversificati. La grande capacità delle piante di adattarsi a climi contrastanti poteva solo essere basata su una grande diversità di strutture, funzioni e livelli di espressione come quelle che si vedevano nella famiglia multigenica lhc. Se lo scopo era quello di ottimizzare la crescita delle piante attraverso la genetica, pensavo, era meglio puntare su queste ultime proteine, allora ancora sconosciute nonostante fossero le proteine di membrana più abbondanti sulla Terra.  

Ranalli: Le tue ricerche hanno svelato come le alghe gestiscono l'eccesso di luce per non 'bruciarsi'. Possiamo trasferire questi meccanismi di fotoprotezione alle piante terrestri per aumentare la loro produttività, specialmente in un'era di estati sempre più torride?

Bassi: Le alghe verdi unicellulari sono state una grande risorsa nello studio della fotosintesi: la loro velocità di replicazione e la presenza di una sola copia del genoma rendeva l’analisi genetica molto più semplice e meno costosa che nelle piante, che sono diploidi o poliploidi. Nel 1989 Jean-David Rochaix mi invitò a passare un periodo nel suo laboratorio di Ginevra. Jean David è stato ed è tutt’ora un grande genetista, allievo di Lewin e precursore della biologia molecolare delle alghe, di cui mi insegnò, con scarso successo, i rudimenti. Fu proprio con un metodo genetico, l’evoluzione diretta, che con uno dei miei migliori allievi, Luca Dall’Osto, dimostrammo che aumentando la resistenza allo stress ossidativo, diminuendo il contenuto in clorofilla e aumentando invece il livello di carotenoidi si potevano ottenere due risultati fondamentali: raddoppiare la produttività fotosintetica e moltiplicare la resistenza a livelli di luce anche altissimi.  Luis Herrera-Estrella, un collega messicano, coltivò i nostri genotipi selezionati in fotobioreattori esposti al sole dei torridi altopiani di Irapuato: i genotipi di partenza morivano dopo pochi giorni di esposizione mentre quelli geneticamente selezionati crescevano benissimo, raggiungendo produttività altissime. Da allora abbiamo avuto come obiettivo di identificare i geni coinvolti nel fenomeno e usarli per replicare questo risultato nelle piante coltivate. 

Ranalli: Si parla di 'piante pallide' o piante con antenne clorofilliane ridotte per aumentare l'albedo e la resa. Qual è il contributo che la fisiologia delle alghe può dare a questa visione di un'agricoltura 'climaticamente intelligente'?

Bassi: Un grande contributo, ritengo. Prima di tutto ci dice che le nostre logiche semplici e razionali non sempre possono spiegare la fisiologia e i fenotipi degli organismi che, come ci ha insegnato Darwin, derivano “dal caso e dalla necessità” percorrendo cammini tortuosi per adattarsi alle condizioni ambientali. Razionalmente, sappiamo che la clorofilla raccoglie l’energia luminosa, necessaria alla crescita vegetale. Se ne deriva, linearmente, che più clorofilla faccia crescere meglio le piante. Invece, osserviamo il contrario: piante pallide (ma non troppo chiare) crescono meglio. Il fenomeno è stato prima osservato nelle alghe e poi confermato nelle piante. La ragione è che la clorofilla, oltre a raccogliere la luce per la fotosintesi, è un’arma importante nella competizione nell’ambiente. Le piante producono moltissimi semi e questi possono ben cadere vicinissimi alla pianta madre e, crescendo, soffocarla, privandola di luce, nutrienti e anche spazio fisico. La strategia della pianta madre è di aumentare il proprio contenuto in clorofilla, anche al di là del livello ottimale per il processo fotosintetico, fino a intercettare ogni singolo fotone e impedire lo sviluppo dei semi cresciuti troppo vicino, assicurando la propria sopravvivenza. Tutto ciò è logico nella libera competizione in ambiente naturale ma diventa controproducente nelle colture agrarie dove ogni singola pianta cresce in un reticolo ordinato e predeterminato meccanicamente alla semina. La canopia che ne deriva crea un forte gradiente luminoso con troppa luce assorbita dalle foglie degli strati superiori e poca o nessuna luce fotosinteticamente attiva ad illuminare le foglie più vicine al terreno. Così le prime sono danneggiate dall’eccesso di luce e le seconde, respirando, diminuiscono l’efficienza globale. Con livelli naturali di clorofilla almeno la metà dell’energia assorbita viene dissipata in calore, una frazione che può essere molto più alta in presenza di stress concomitanti, come carenza d’acqua, nutrienti, freddo o caldo eccessivo. C’è quindi la possibilità di raddoppiare la resa delle colture usando genotipi che abbiano meno clorofilla e facciano filtrare luce sufficiente fino agli strati più bassi della vegetazione. Poi, visto che l’appetito vien mangiando, si può migliorare ulteriormente l’efficienza esprimendo geni che aumentino la resistenza alla luce in eccesso nelle foglie alte e assorbano lunghezze d’onda del vicino infrarosso che sono abbondanti vicino al terreno. In ognuna di queste direzioni abbiamo fatto dei passi significativi negli anni scorsi. Lasciare più spazio alle foreste pur mantenendo alta la produzione globale per nutrire 8 miliardi di persone ci assicurerebbe la protezione della biodiversità e un mondo in cui le epidemie siano meno invasive.

Ranalli: Tu parli spesso della necessità di 'domesticare' le alghe così come abbiamo fatto con il grano o il riso millenni fa. A che punto siamo in questo processo di selezione e miglioramento genetico (anche tramite genome editing) per rendere le alghe vere e proprie 'colture' industriali?

Bassi: Domesticare riso e frumento ha richiesto 10.000 anni e siamo ancora lontani dall’aver finito il lavoro.  L’aumento della popolazione e il consumo di superficie forestale, in grado di sequestrare CO2 non ci dà tutto questo tempo prima che il clima sia drammaticamente modificato dall’effetto serra. Per questo, l’applicazione della scoperta di Jennifer Doudna ed Emanuelle Charpentier, che ci hanno mostrato come modificare razionalmente i genomi, è essenziale.  Quello che fino a dieci anni fa richiedeva anni si può fare in mesi e quindi siamo ancora in tempo (forse) per correre ai ripari. La tradizione della genetica vegetale italiana è talmente buona che può già procedere celermente in questa direzione.  Ovvio che ci vogliono delle risorse (ma niente di che rispetto a quello che viene correntemente investito nella fisica di base nella ricerca biomedica). Il vero problema è nell’opinione pubblica che resiste alle modificazioni genetiche delle piante mentre osanna ogni qualvolta un medico cura una malattia genetica con le stesse tecnologie di transgenesi. Misteri della psiche e della letteratura horror di fine ‘800 che ci ha riempito di Frankenstein e Dracula. Abbiamo bisogno di rendere accettabili alla società le applicazioni delle nostre ricerche. Credo che questo sia l’ostacolo maggiore alla salvezza nostra e del nostro ambiente naturale.

Ranalli: Negli ultimi anni l'entusiasmo per i biocarburanti algali ha subito fasi alterne. A che punto è la ricerca nel rendere la produzione di biodiesel o bio-idrogeno da alghe economicamente competitiva?

Bassi: Qualitativamente siamo ad un punto molto buono, quantitativamente non ancora.  Abbiamo imparato a modificare le alghe con la biologia sintetica e ridirigere le loro vie metaboliche verso la produzione di molecole organiche ad alto contenuto calorico e proprietà fisiche compatibile con l’uso come combustibili in diversi tipi di motori. I carburanti sono la merce prodotta e movimentata in quantità maggiore nella nostra società. Nella via di scalare le dimensioni degli impianti di crescita algale verso dimensioni sempre maggiori un problema serio è stato la facilità con cui le colture algali vengono inquinate da funghi e batteri, trasformando un fotobioreattore facilmente in un contenitore maleodorante e marcescente. Proprio con Luis Herrera-Estrella abbiamo messo a punto un sistema basato sull’uso del fosfito come sorgente selettiva di fosforo nelle colture accoppiato con l’inserimento di geni codificanti l’enzima fosfito deidrogenasi nelle cellule algali. L’enzima produce il fosfato necessario alla crescita di tutti i viventi. In questo modo crescono solo le cellule ingegnerizzate e si evita di sterilizzare i fotobioreattori: un’operazione costosissima e difficile quanto più grande è la dimensione del contenitore dove crescono le alghe. Il costo dei biocombustibili così prodotti è, però, ancora alto e non competitivo con quello dei combustibili fossili.  Dobbiamo fare ulteriori passi avanti nella produttività delle colture algali. 

Ranalli: Come Presidente della Stazione Zoologica Anton Dohrn, come influisce l'acidificazione degli oceani e l'aumento della temperatura sulla capacità fotosintetica delle microalghe che studiate in laboratorio? E come può la biologia marina collaborare con le scienze agrarie per garantire la sicurezza alimentare (Food Security) attraverso l'acquacoltura e l'uso di biomasse algali?

Bassi: La nostra sede di Ischia è un laboratorio di riferimento internazionale a causa della CO2 vulcanica che gorgoglia dal fondo marino e causa acidificazione dell’acqua. L'acidificazione degli oceani sposta l’equilibrio chimico nella reazione di idratazione della CO2 ad acido carbonico, causata dall'aumentato assorbimento di CO2, ha effetti contrastanti sulle alghe: stimola la crescita di alcune specie a causa della maggiore disponibilità di carbonio inorganico per la fotosintesi, ma danneggia le specie calcificanti in quanto il loro scheletro calcareo viene indebolito. L’effetto ecologico è quindi complesso e lo stiamo studiando.  Più evidente è la possibilità offerta dallo studio delle piante superiori marine, parenti strette delle nostre piante agrarie come riso e mais.  Quando sono arrivato a SZN ho trovato un gruppo di ricerca, guidato dal dr. Gabriele Procaccini, che studia Posidonia oceanica. I dati di produttività di questa pianta sono impressionanti mentre la quantità di luce disponibile nei fondati è molto bassa. Un sistema ideale per capire come aumentare l’efficienza nell’uso della luce.  Infatti, la collaborazione tra il mio gruppo di ricerca all’università di Verona, i colleghi di SZN e i fisici del politecnico di Milano ha mostrato che in Posidonia è aumentata di quattro volte la velocità con cui l’energia di fotoni assorbiti viene intrappolata dal centro di reazione del Fotosistema I e usata per la crescita. Nella pubblicazione su Nature Communications, in stampa in questi giorni, abbiamo mostrato come si possa riprodurre lo stesso effetto nelle piante coltivate introducendo pochissime variazioni di sequenza in due proteine del PSI. Stiamo ora lavorando a verificare che le piante coltivate modificate per somigliare a quelle marine siano davvero capaci di crescere meglio e di più nei campi.  Lo studio di Posidonia è nato da una curiosità accademica e non aveva ambizioni applicative; tuttavia, ha aperto una strada nuova nel miglioramento agronomico. Una dimostrazione che la ricerca di base è sempre un buon investimento.  Lo spunto ci ha riportato allo studio delle microalghe marine artiche: vivono e crescono al di sotto della calotta glaciale dove la luce è bassissima. La prossima ricerca sarà in questa direzione.