Per decine di migliaia di anni, gli uomini si sono affidati alla natura per avere tutto ciò di cui avevano bisogno per sentirsi più a loro agio. Tessevano abiti e tessuti di lana, cotone o seta e li tingevano con colori derivati da piante e animali. Gli alberi fornivano il materiale per costruire case, mobili e accessori. Ma tutto questo cambiò durante la prima metà del ventesimo secolo, quando la chimica organica sviluppò metodi per creare molti di questi prodotti dal petrolio. I polimeri sintetici derivati dal petrolio, colorati con coloranti artificiali, sostituirono presto le fibre naturali nei vestiti e nei tessuti. La plastica sostituì rapidamente il legno e i metalli in molti articoli di consumo, edifici e mobili. Tuttavia, la biologia potrebbe essere in procinto di vendicarsi di questi beni di consumo sintetici a base di petrolio. Regolamenti ambientali più severi e la massa crescente di materiali sintetici non degradabili nelle discariche hanno reso i prodotti biodegradabili nuovamente attraenti. Le crescenti preoccupazioni per la dipendenza dal petrolio d’importazione, in particolare negli Stati Uniti, e la consapevolezza che le scorte mondiali di petrolio non sono illimitate sono ulteriori fattori che spingono le industrie chimiche e biotecnologiche ad esplorare la ricchezza della natura alla ricerca di metodi per sostituire i prodotti sintetici a base di petrolio.

Un intero ramo della biotecnologia, noto come “biotecnologia bianca”, è dedicato a questo. Utilizza cellule viventi – da lieviti, muffe, batteri e piante – ed enzimi per sintetizzare prodotti che sono facilmente degradabili, richiedono meno energia e creano meno rifiuti durante la loro produzione. Questo non è uno sviluppo recente: infatti, la biotecnologia sta contribuendo ai processi industriali da un po’ di tempo. Per decenni, gli enzimi batterici sono stati ampiamente utilizzati nella produzione alimentare e come ingredienti attivi nei detersivi per ridurre la quantità di tensioattivi artificiali. Escherichiacoli transgenici sono usati per produrre insulina umana in vasche di fermentazione su larga scala e il primo enzima progettato razionalmente, usato nei detergenti per abbattere il grasso, è stato introdotto già nel 1988. I vantaggi di sfruttare i processi e i prodotti naturali sono molteplici: non dipendono dalle risorse fossili, sono più efficienti dal punto di vista energetico e i loro substrati e rifiuti sono biologicamente degradabili, il che contribuisce a diminuire il loro impatto ambientale. Utilizzando substrati e fonti di energia alternative, la biotecnologia bianca sta già portando molte innovazioni alle industrie chimiche, tessili, alimentari, di imballaggio e sanitarie. Non sorprende quindi che gli accademici, l’industria e i politici siano sempre più interessati a questa nuova tecnologia, alla sua economia e ai suoi contributi ad un ambiente sano, che potrebbero renderla un metodo credibile per lo sviluppo sostenibile.

Uno dei primi obiettivi nell’agenda della biotecnologia bianca è stata la produzione di plastiche biodegradabili. Negli ultimi 20 anni, questi sforzi si sono concentrati principalmente sui poliesteri di 3-idrossiacidi (PHAs), che sono sintetizzati naturalmente da una vasta gamma di batteri come riserva di energia e fonte di carbonio. Questi composti hanno proprietà simili alle termoplastiche sintetiche e agli elastomeri dal propilene alla gomma, ma sono completamente e rapidamente degradati dai batteri nel suolo o nell’acqua. Il PHA più abbondante è il poli(3-idrossi-butirrato) (PHB), che i batteri sintetizzano dall’acetil-CoA. Crescendo sul glucosio, il batterio Ralstonia eutropha può accumulare fino all’85% del suo peso secco in PHB, il che rende questo microrganismo una bioplastica in miniatura.

Una grande limitazione della commercializzazione di queste plastiche batteriche è sempre stato il loro costo, poiché sono 5-10 volte più costose da produrre rispetto ai polimeri a base di petrolio. Molti sforzi sono stati fatti per ridurre i costi di produzione attraverso lo sviluppo di migliori ceppi batterici, ma recentemente è emersa un’alternativa potenzialmente più economica ed ecologica, ovvero la modifica delle piante per sintetizzare i PHA. Una piccola quantità di PHB è stata

prodotti per la prima volta in Arabidopsisthaliana dopo l’introduzione dei geni di R. eutropha che codificano due enzimi essenziali per la conversione di acetil-CoA in PHB (Poirier et al., 1992). Monsanto (St Louis, MO, USA) ha poi migliorato questo processo nel 1999. Anche se questa nuova ondata di polimeri ha un potenziale enorme, i tempi della sua evoluzione sono incerti. Dopo l’entusiasmo iniziale, Monsanto e AstraZeneca (Londra, Regno Unito) hanno abbandonato questi progetti per problemi di costi. “Produrre biopolimeri dalle piante è una sfida scientifica promettente e affascinante”, ha detto Yves Poirier del Laboratorio di Biotecnologia Vegetale dell’Istituto di Ecologia dell’Università di Losanna, Svizzera. Egli pensa che le aziende sono riluttanti a perseguire questi progetti perché hanno bisogno di investimenti a lungo termine che non soddisfano i programmi finanziari e temporali delle aziende. Ulteriori modifiche genetiche devono ancora essere introdotte nelle piante per il loro miglioramento”, ha detto, “e una volta che queste piante sono create, richiederanno protocolli specifici di raccolta e trattamento, rispetto alle piante normali”. Tutto questo si traduce in pesanti investimenti in nuove infrastrutture e sistemi di lavorazione e in una notevole quantità di tempo”. Da otto a dieci anni è la sua stima approssimativa di quanto tempo ci vorrà prima che i PHA prodotti dalle piante possano diventare economicamente convenienti.

I progetti per produrre una maglietta dallo zucchero di mais hanno raggiunto lo stesso impasse. Dupont (Wilmington, DE, USA), l’azienda che ha inventato il nylon, sta sviluppando da anni un polimero a base di 1,3-propandiolo (PDO), con nuovi livelli di performance, resilienza e morbidezza. Aggiungendo una dimensione ecologica alla produzione, l’impianto di polimerizzazione di Dupont a Decatur, Illinois (USA) ha ora prodotto con successo PDO dallo zucchero di mais, una risorsa rinnovabile. Ma anche se il loro polimero a base di mais, chiamato Sorona®, è più ecologico e ha caratteristiche migliori, spetta ancora una volta ai mercati farne un successo. “L’azienda prevede un passaggio efficace dalla produzione a base di petrolio a quella a base biologica”, ha detto Ian Hudson, direttore commerciale di Sorona® alla Dupont, “ma questo avverrà se il processo economico e le richieste del mercato giustificheranno la transizione.”

Cargill Dow (Minnetonka, MN, USA) ha fatto un passo avanti. L’azienda ha sviluppato un biopolimero innovativo, NatureWorks™, che può essere usato per produrre articoli come abbigliamento, imballaggio e arredamento per ufficio. Il polimero è derivato dall’acido lattico, che si ottiene dalla fermentazione dello zucchero di mais. È già stato portato efficacemente sul mercato ed è recentemente apparso nelle drogherie statunitensi come contenitore per alimenti biologici.

Un altro prodotto che potrebbe trarre grande beneficio dalle biotecnologie innovative è la carta. Gran parte del costo e del considerevole inquinamento coinvolto nel processo di produzione della carta è causato dal “krafting”, un metodo per rimuovere la lignina dal substrato di legno. La lignina è il secondo polimero più abbondante in natura dopo la cellulosa e fornisce stabilità strutturale alle piante. In vista dei significativi benefici economici che si potrebbero ottenere, molti sforzi di ricerca si sono concentrati sulla riduzione della quantità di lignina o sulla modifica della struttura della lignina negli alberi, preservandone la crescita e l’integrità strutturale. Alberi geneticamente modificati con queste proprietà esistono già (Hu et al., 1999; Chabannes et al., 2001; Li et al., 2003), ma probabilmente non ci si guadagnerà molto presto. Anche se l’industria della carta potrebbe ottenere un considerevole profitto riducendo i costi di produzione, nessun grande progetto in questa direzione è stato ancora intrapreso. Alain Boudet, professore presso il Centro di biotecnologia vegetale dell’Università Paul Sabatier (Castanet-Tolosan, Francia), ha identificato due grandi ostacoli alla commercializzazione del legno transgenico. “Prima di tutto, gli alberi con lignina alterata avranno bisogno di più test sulle loro reali prestazioni sul campo fuori dal laboratorio prima di essere ampiamente utilizzati”, ha spiegato. “In secondo luogo, e con molta più difficoltà, sarà necessario conquistare l’accettazione del pubblico a nuovi organismi transgenici e alla distribuzione di prodotti che ne derivano.”

La biotecnologia bianca si concentra anche sulla produzione di energia da risorse rinnovabili e biomasse. L’amido di mais, patate, canna da zucchero e grano è già usato per produrre etanolo come sostituto della benzina: la prima auto di Henry Ford andava a etanolo. Oggi, alcuni carburanti venduti in Brasile sono etanolo puro derivato dalla canna da zucchero, e il resto ha un contenuto di etanolo del 20%. Negli Stati Uniti, il 10% di tutto il carburante venduto è una miscela del 90% di benzina e del 10% di etanolo. Secondo il rapporto 2001 dell’Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico sulla biotecnologia e la sostenibilità industriale, gli Stati Uniti hanno ora 58 impianti di carburante, che producono quasi 6 miliardi di litri di etanolo all’anno.

Ma trasformare l’amido in etanolo non è il metodo più efficiente dal punto di vista ambientale o economico, poiché la coltivazione di piante per la produzione di etanolo comporta l’uso di erbicidi, pesticidi, fertilizzanti, irrigazione e macchinari. Aziende come Novozymes (Bagsvaerd, Danimarca), Genencor (PaloAlto, CA, USA) e Maxygen (Redwood City, CA, USA) stanno quindi esplorandoavenues per derivare etanolo specificamente da materiale celluloide in legno, grassesand, più attraentemente, rifiuti agricoli. Molti dei loro sforzi sono concentrati sullo sviluppo di cellulasi batteriche più efficaci che possono scomporre i rifiuti agricoli in zuccheri semplici per creare un substrato grezzo più abbondante e più economico per la produzione di etanolo.

I visionari speranzosi hanno già iniziato a parlare di una “economia dei carboidrati” che sostituisce la vecchia “economia degli idrocarburi”. Tuttavia, “rendere la biomassa una materia prima efficace non è un processo economico”, ha ricordato KirstenStær, direttore della comunicazione con gli stakeholder alla Novozymes. Per ottenere la produzione di biocarburante su base commerciale, accanto allo sviluppo di nuovi sistemi di raccolta delle materie prime e alla creazione di impianti di produzione speciali, sarà necessaria una diversa determinazione dei prezzi del biocarburante, ha commentato. “La struttura dei prezzi del combustibile fossile è fissata sul mercato da quadri normativi. Se la produzione di biocarburante deve avere successo, sarà necessario applicare politiche che introducano sussidi alla produzione di bioetanolo, per esempio, o mettere tasse sulla produzione di combustibile fossile”, ha detto Stær.

Questo non ha fermato J. Craig Venter dal fondare l’anno scorso l’Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA) a Rockville, Maryland (USA) per sostenere la produzione di forme di energia più pulita. IBEA ha recentemente ricevuto una sovvenzione di 3 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, principalmente per ingegnerizzare un microrganismo artificiale per produrre idrogeno. Privato dei geni per la formazione dello zucchero che normalmente utilizzano gli ioni di idrogeno, questo organismo potrebbe dedicare tutte le sue energie alla produzione di idrogeno in eccesso e, idealmente, diventare un produttore di energia asintetica.

La biotecnologia bianca può anche beneficiare la medicina e l’agricoltura. La vitamina B2 (riboflavina), per esempio, è ampiamente usata nell’alimentazione animale, nel cibo umano e nei cosmetici

ed è stata tradizionalmente prodotta in un processo chimico in sei fasi. Alla BASF (Ludwigshafen, Germania), più di 1.000 tonnellate di vitamina B2 sono ora prodotte all’anno in una singola fermentazione. Usando il fungo Ashbya gossypii come biocatalizzatore, BASF ha ottenuto una riduzione complessiva dei costi e dell’impatto ambientale del 40%. Allo stesso modo, la cefalexina, un antibiotico attivo contro i batteri Gram-negativi e normalmente prodotto in una lunga sintesi chimica in dieci fasi, è ora prodotta in un processo più breve basato sulla fermentazione presso DSM Life Sciences Products (Heerlen, Paesi Bassi). Tuttavia, la vitamina B2 è solo una singola storia di successo – altre vitamine e farmaci sono ancora più economici da produrre con la chimica organica classica che con l’innovativa biotecnologia bianca.

Nondimeno, i potenziali benefici ambientali del passaggio alle materie prime biologiche e ai bioprocessi sono sostanziali, pensa Wolfgang Jenseit dell’Istituto di Ecologia Applicata (Friburgo, Germania). “I nuovi processi di bioproduzione sostituiscono reazioni chimiche complesse. Questo, ovviamente, corrisponde a un significativo risparmio di energia e acqua”, ha spiegato. Anche l’atmosfera ne beneficia: il carbonio necessario per produrre bioetanolo dalla biomassa è stato sequestrato dalle piante dall’atmosfera, quindi rimetterlo in circolo bruciando etanolo non contribuisce al riscaldamento globale, ha sottolineato Jenseit. Questa è certamente una buona notizia per i paesi che si sono impegnati a limitare le emissioni di gas serra ratificando il trattato di Kyoto.

E i benefici economici dovrebbero seguire. Secondo la società di consulenza globale McKinsey & Company, la biotecnologia bianca occuperà fino al 10-20% dell’intero mercato chimico nel 2010, con una crescita annuale di 11-22 miliardi di euro. Tuttavia, esistono enormi differenze nei modi in cui la biotecnologia bianca è gestita in Europa e negli Stati Uniti, ha detto Jens Riese, un Principal Associate della McKinsey & Company con sede a Francoforte. “Prima di tutto, la somma complessiva investita negli Stati Uniti nel business delle biotecnologie bianche è di 250 milioni di dollari, una somma che supera di gran lunga il totale degli investimenti europei”, ha detto. “Probabilmente spinti da una più forte volontà geopolitica di diventare indipendenti dall’importazione di combustibili fossili, gli Stati Uniti hanno mostrato una maggiore propensione nello sviluppo di tali tecnologie. L’Europa, d’altra parte, è culturalmente più cauta e meno avventurosa nell’accettare metodologie innovative.”

Ma la biotecnologia bianca ha attirato interesse in Europa. “C’è consapevolezza della necessità di innovazione in questa direzione”, ha detto Oliver Wolf, responsabile scientifico presso l’Istituto per le prospettive tecnologiche di Siviglia, Spagna. “Sebbene non esista ancora una legislazione specifica, si stanno facendo passi importanti verso la promozione della biotecnologia bianca in Europa”. La biotecnologia bianca ha potenzialmente grandi benefici, sia economici che ambientali, per una vasta gamma di applicazioni. La strada per il suo sviluppo è stata spianata, ma rimane una tecnologia relativamente giovane che deve competere con una matura industria chimica basata sul petrolio che ha avuto quasi un secolo per ottimizzare i suoi metodi e processi di produzione. Tuttavia, le crescenti preoccupazioni per l’ambiente e la possibilità di un petrolio più economico in futuro rendono la biotecnologia bianca un serio concorrente.