Fermentazione di precisione
L’agricoltura cellulare è una tecnologia che mira alla produzione di carne coltivata o pesce coltivato ed altri derivati animali a partire da coltivazioni cellulari, anziché da allevamenti animali. Tali cellule possono essere sia cellule animali sia microrganismi (come batteri e lieviti usati nella produzione di pane e birra). Assieme alla produzione di proteine su base vegetale, l’agricoltura cellulare costituisce uno dei pilastri dell’emergente settore delle proteine complementari.
L'industria dell’agricoltura cellulare riguarda in particolar modo il settore alimentare, mirando alla coltivazione cellulare di carne, pesce, ma anche latte, latticini ed altri prodotti. Ulteriori applicazioni possono riguardare anche i settori tessile, delle materie prime e cosmetico.
La fermentazione di precisione consente la produzione di proteine tipicamente presente nel latte (come la caseina) che possono migliorare i formaggi a base vegetale, per esempio rendendoli piú filanti.
La fermentazione é una delle tecnologie alimentari piú antiche, nata da processi spontanei e, inizialmente, da contaminazioni accidentali, la pratica della fermentazione si è trasformata nel tempo in un sistema sempre più sofisticato e controllato. Oggi, la fermentazione tradizionale viene utilizzata per migliorare le proprietà nutrizionali e funzionali degli alimenti, modificarne il gusto e prolungarne la conservazione ed è alla base della produzione di cibi che consumiamo quotidianamente come il pane o la birra.
In tempi piú recenti é stata sviluppata anche la fermentazione di biomassa, la quale usa microrganismi per trasformare sostanze organiche, come scarti agricoli, rifiuti urbani o colture dedicate, in prodotti o ingredienti alimentari proteici. Include per esempio anche la fermentazione a gas e la coltivazione di microalghe.
In ultimo, a partire dalla rivoluzionaria scoperta della penicillina nel 1928 da parte di Alexander Fleming (Premio Nobel per la Medicina nel 1945) è stato possibile produrre, tramite processi fermentativi del fungo Penicillium, i primi antibiotici in grado di curare vari tipi di infezioni batteriche. Tale tecnologia si differenzia dalle precedenti in quanto usa un microrganismo per produrre una singola molecola con una particolare caratteristica funzionale. Questo concetto é alla base della cosiddetta fermentazione di precisione, che rientra nella tecnologia piú ampia dell’agricoltura cellulare.
Scienza e Tecnologia
Il termine fermentazione di precisione potrebbe essere stato utilizzato per la prima volta in un articolo scientifico del 2015 (Barton et al., 2015). Sebbene questo termine possa risultare piuttosto recente, la fermentazione di precisione è stata utilizzata fin dagli anni '80.
Nella fermentazione di precisione i microrganismi vengono programmati geneticamente e coltivati in bioreattori per produrre una sostanza utile, come un enzima, una vitamina o un aroma. Il microrganismo serve solo per “fabbricare” il prodotto finale.
Quando si parla di Organismi Geneticamente Modificati o OGM , spesso si pensa a piante come il mais o la soia, il cui DNA è stato modificato direttamente. Quindi la pianta stessa contiene geni modificati e questi restano anche nei prodotti finali (es. farina di mais OGM). Nella fermentazione di precisione invece non è il prodotto finale ad essere geneticamente modificato, ma solo i microrganismi usati per produrlo. Alla fine del processo infatti, si estrae solo la sostanza d’interesse, senza portarsi dietro il DNA del microrganismo modificato.
I microorganismi più comunemente utilizzati nella fermentazione di precisione sono ben conosciuti e considerati sicuri, e spesso hanno una lunga storia d’uso nell’industria alimentare e farmaceutica. Si utilizzano ad esempio il batterio Bacillus subtilis (venduto anche come integratore), il lievito Saccharomyces cerevisiae (il lievito di birra) e alcuni funghi, come Trichoderma, già ampiamente impiegati per la produzione industriale di enzimi.
I prodotti finali vengono poi separati e purificati per essere utilizzati in vari settori. Nell’ambito dell’agricoltura cellulare, si possono produrre proteine identiche a quelle presenti in natura, o modificarle per migliorarne le caratteristiche come la digeribilità.
Storicamente questa tecnologia ha rivoluzionato l’industria farmaceutica ed alimentare consentendo la produzione su larga scala di sostanze fondamentali. L’esempio forse più noto è quello dell’insulina. Nel ‘900, l'insulina veniva estratta direttamente dal pancreas degli animali, vacche o maiali, con ovvie limitazioni di rendimento, purificazione, ed elevato rischio di reazioni immunitarie. A partire dagli anni '80 è stato possibile produrre l'insulina umana utilizzando batteri geneticamente modificati di Escherichia coli. La sua produzione industriale ne ha abbassato drasticamente il prezzo rendendola facilmente accessibile, così cambiando radicalmente il destino di moltissime persone affette da diabete.
Un'altra sostanza di origine animale prodotta attraverso microorganismi ingegnerizzati è il caglio. Originariamente ottenuto dallo stomaco di vitelli o altri animali d'allevamento, il caglio è un estratto dotato di proprietà coagulanti che vengono sfruttate nell'industria del latte per produrre formaggi. Nel tempo sono stati utilizzati vari sostituti, ad esempio prodotti di origine fungina, fino ad arrivare a produrre la chimosina, principale enzima coagulante del caglio bovino, tramite fermentazione di precisione. La produzione di formaggio attraverso caglio microbico ha surclassato quella tradizionale nei contesti industrializzati, ma quest’ultima rimane in alcune nicchie DOP/IGP dov’è richiesto dalla normativa, come nel caso di Parmigiano Reggiano e Pecorino Romano.
Un altro importante esempio riguarda la leghemoglobina, in questo caso é una proteina presente nelle radici delle piante leguminose e strutturalmente simile all’emoglobina presente nel sangue degli animali. Tale leghemoglobina é stata anche prodotta da un lievito ingegnerizzato (Pichia pastoris) e utilizzata dall’azienda statunitense Impossible Foods™ per dare ai suoi hamburger a base vegetale il sapore e il colore della carne animale.
Con la fermentazione di precisione è stato possibile produrre anche la vitamina B12. Questa vitamina, prodotta in natura esclusivamente da batteri ed archea, venne teorizzata nel 1926 da Minot e Murphy che trattarono alcuni pazienti affetti da anemia perniciosa con una dieta a base di fegato e carne animale, ottenendo successivamente il Premio Nobel per la Medicina nel 1934. Tuttavia, solo nel 1948 due gruppi di ricerca di aziende farmaceutiche (Folkers di Merck, Sharp & Dohme e Smith di Glaxo) furono in grado di isolare ed identificare questa vitamina. Un anno dopo, la vitamina B12 venne estratta anche da fonti alternative rispetto al fegato, come il latte, la carne bovina e diverse colture batteriche. Ad oggi, la vitamina B12 prodotta mediante fermentazione di precisione viene ampiamente utilizzata come supplemento nei mangimi degli animali da allevamento o come fortificante negli alimenti per il consumo umano.
Le prossime sezioni illustreranno in dettaglio le fasi di ricerca e sviluppo industriale comunemente associate alla fermentazione di precisione.
Selezione del prodotto target
La fermentazione di precisione permette a diverse industrie di produrre diversi prodotti target, usando tecnologie analoghe, tutte basate sul fatto che particolari sequenze di DNA (chiamate geni) codificano per determinate proteine. Nell’industria farmaceutica, i target più comuni sono farmaci come l’insulina umana. Nell'industria alimentare, uno dei principali prodotti (qui definiti “target”) della fermentazione di precisione sono gli enzimi: proteine che accelerano reazioni chimiche fondamentali per la produzione di alimenti, come la conversione dell'amido in zucchero. Ancor piú in particolare, nell'agricoltura cellulare l'obiettivo principale è la produzione di macro- e micro-nutrienti o ingredienti che svolgono un ruolo nutritivo e/o strutturale.
Ciascun target presenta differenti vantaggi e svantaggi. Uno dei principali vantaggi nel caso delle proteine alimentari è il fatto che esse rimangono relativamente inerti all’interno del microorganismo ospitante, consentendo di fatto un’espressione maggiore della sequenza di interesse senza compromettere il metabolismo dell’ospite. Inoltre, il grado di purificazione del prodotto finito non deve essere elevato come nel caso dell’industria farmaceutica. Un possibile svantaggio è rappresentato invece dalla dimensione e dalla complessità di tali proteine, che renderebbe difficile il loro assemblaggio in una cellula ospite non abituata a produrre questo tipo di sostanze complesse. La selezione del target e la selezione dell’ospite sono dunque fortemente influenzate reciprocamente.
Selezione del microrganismo
Il microrganismo viene generalmente scelto in base al tipo di sostanza da produrre e ai suoi punti di forza. Inoltre, la tecnica scelta per effettuare l’ingegnerizzazione genetica potrebbe condizionare la decisione finale. Ciascun microrganismo può possedere vantaggi e svantaggi e risultare più efficiente nel produrre un certo tipo di sostanza rispetto ad un altro. Ad esempio i batteri, grazie alla loro rapida proliferazione e facilità di manipolazione genetica, sono spesso utilizzati nei processi biotecnologici. Tuttavia, il loro metabolismo accelerato può comprometterne la stabilità genetica nel tempo. I lieviti, pur avendo una crescita meno rapida rispetto ai batteri, offrono una maggiore stabilità genetica, rendendoli una scelta affidabile in molte applicazioni. Le microalghe rappresentano un'opzione promettente, sebbene il processo di estrazione delle sostanze target sia generalmente più complesso.
Processo di ingegnerizzazione
1. Selezione della Sequenza Genetica (gene) di Interesse
Il primo passo per ingegnerizzare geneticamente un microrganismo è quello di identificare la sequenza di DNA (chiamata “gene”) necessaria a codificare il target desiderato. Molte banche dati contengono le informazioni complete sul DNA di vari organismi, dunque il gene è generalmente già noto e la corrispondente sequenza di DNA può essere scaricata direttamente dalla banca dati.
2. Costruzione del Vettore
Il gene selezionato viene inserito all'interno di una piccola molecola di DNA circolare (definita “plasmide”) comunemente utilizzata nelle biotecnologie per trasportare materiale genetico nelle cellule ospiti (in questo caso il plasmide diventa “vettore”). Il vettore non solo contiene la sequenza del gene di interesse, ma anche sequenze fondamentali per controllarne la sua produzione:
Promotori: sequenze regolatrici che determinano quando e quanto il gene viene copiato in RNA, processo definito come “trascrizione” e presente in ogni tipo di cellula. Tali sequenze possono essere attivate o spente da segnali chimici o fisici forniti, per esempio, dallo scienziato che sta testando il processo o da un operaio dell’impianto produttivo.
Segnali di terminazione: permettono di regolare il corretto arresto della trascrizione del gene.
Marcatori di selezione: geni utilizzati per identificare le cellule che hanno incorporato correttamente il vettore.
Questa combinazione di sequenze genetiche rende possibile il controllo preciso dell'espressione del gene nel microrganismo ospite.
3. Trasformazione del Microrganismo
Quando il vettore è stato completato, viene introdotto nel microrganismo ospite attraverso un processo chiamato trasformazione. Ci sono diverse tecniche per effettuare questo passaggio, a seconda del tipo di microrganismo utilizzato, come per esempio:
Elettroporazione: utilizza impulsi elettrici per creare pori temporanei nella membrana cellulare del microrganismo, attraverso i quali il vettore può entrare nella cellula.
Shock termico: il microrganismo viene esposto a una rapida variazione di temperatura, rendendo la membrana cellulare temporaneamente permeabile al DNA.
Protoplasting: la parete cellulare del microrganismo viene rimossa temporaneamente per facilitare l’ingresso del vettore.
4. Espressione e Produzione del Composto
Dopo che il vettore è stato introdotto nel microrganismo, inizia la fase di “espressione” del gene: le istruzioni contenute nel gene di interesse vengono prima copiate in una molecola chiamata RNA (processo chiamato “trascrizione”), e poi usate per costruire la proteina target (processo chiamato “traduzione”). Questo avviene attraverso i normali meccanismi di biosintesi della cellula ospite.
A seconda del tipo di microrganismo e del target da produrre, l'espressione può avvenire all'interno della cellula o può essere progettata per rilasciare il prodotto all’esterno, tramite secrezione. Ad esempio, alcune proteine vengono secrete direttamente nel liquido di coltura: questo rende più facile la loro successiva purificazione.
5. Valutazione del Microrganismo e Purificazione del Prodotto
Dopo l'ingegnerizzazione, il microrganismo viene analizzato per confermare che produca il composto desiderato in quantità sufficiente e con le caratteristiche attese (ad esempio, corretta sequenza amminoacidica e struttura proteica). In alcuni casi, possono essere necessarie ulteriori modifiche al microrganismo per migliorarne l'efficienza. Può infatti essere utile bloccare le vie metaboliche non necessarie che consumano energia inutilmente o riducono la produzione del prodotto di interesse. Il target così prodotto viene quindi separato dal resto del contenuto cellulare e purificato. Questo processo dipende dalla natura del prodotto: le sostanze target possono essere estratte dai microrganismi tramite lisi cellulare (chimica, fisica o meccanica), oppure, se i composti sono secreti nel liquido di coltura, gli step successivi di centrifugazione e filtrazione sono generalmente sufficienti.
Selezione delle materie prime
La selezione delle materie prime che andranno a costituire il terreno di coltura per il sostentamento dei microrganismi è un passaggio fondamentale per garantire la sostenibilità e l’efficienza della produzione del composto target su larga scala.
Con l’avanzare delle conoscenze in ambito biologico è possibile introdurre substrati innovativi come scarti o sottoprodotti dell’industria alimentare e dell'agricoltura avvicinandoci verso un sistema alimentare più circolare e dunque sostenibile. Rispetto ad altre alternative come la carne coltivata, nella fermentazione di precisione sarebbe possibile sfruttare una gamma più ampia di nutrienti, valorizzando diverse materie prime poco costose. Alcuni esempi di materie prime, classificate in base alla loro provenienza, sono riportati di seguito:
Agricoltura: è possibile utilizzare scarti (es. bucce, polpe e altri rifiuti vegetali generati durante la raccolta e la lavorazione dei prodotti agricoli), sottoprodotti (tra cui residui lignocellulosici come paglia, gusci e scarti di legno) o prodotti agricoli (es. piante ricche di carboidrati come la canna da zucchero) per il nutrimento dei microrganismi.
Industria Alimentare: anche in questo caso esistono diversi scarti e sottoprodotti derivanti dai processi industriali che possono essere impiegati con successo per la coltivazione dei microrganismi tra cui il siero di latte derivante dalla produzione del formaggio o la melassa ottenuta durante la lavorazione dello zucchero.
Rifiuti Urbani e Industriali: Gas come la CO₂, il monossido di carbonio e l'idrogeno derivanti da processi di gassificazione dei rifiuti o dai flussi di scarto industriali, possono essere utilizzati come fonti di carbonio. I rifiuti organici urbani e gli alimenti invenduti rappresentano un’ulteriore fonte di nutrimento altrimenti inutilizzata così come le acque di scarico e i residui di depurazione delle acque reflue, se opportunamente trattate.
Attualmente la ricerca in questo ambito è molto attiva e in costante evoluzione. Le fonti e le materie prime possono essere estremamente variabili in funzione dell’organismo e della sostanza target.
Processo industriale
La ricerca in laboratorio é associata a una produzione in fermentatori (tecnicamente chiamati bioreattori) su scala ridotta, tipicamente di 1-10 L. Per rendere il processo produttivo adatto a una produzione industriale, é necessario aumentare progressivamente i volumi della produzione in un passaggio iterativo definito “scale-up”. Questo è uno dei passaggi più delicati, in quanto alcune condizioni che funzionano su piccola scala possono non funzionare altrettanto bene su larga scala. Viene quindi condotta un'ulteriore fase di ottimizzazione su impianti pilota prima di passare alla produzione commerciale vera e propria. Il processo industriale ottimizzato prevede la coltivazione dei microrganismi in fermentatori o bioreattori su larga scala (cioè fino a 200.000 litri) per poi passare alla purificazione del prodotto target.
Indipendentemente dalla dimensione, i bioreattori sono al centro del processo e presentano varie caratteristiche in comune con quelli usati nei processi fermentativi tradizionali. Tuttavia la loro tecnologia è estremamente varia e in costante miglioramento in quanto questi ambienti controllati sono essenziali per l’ottimizzazione delle condizioni di crescita dei microrganismi. Si regolano i parametri di crescita, come temperatura, pH, e la concentrazione di nutrienti nel bioreattore, per massimizzare la produzione. Ai bioreattori si aggiungono le apparecchiature necessarie per la separazione e la purificazione del prodotto desiderato. Le infrastrutture coinvolte nei processi possono essere costruite da zero oppure affittate a partire da impianti industriali fermentativi preesistenti.
Il grado di purificazione richiesto dipende dall'applicazione finale prevista. Contrariamente alle proteine utilizzate in ambito farmaceutico, in cui il grado di purezza necessario è estremamente elevato, le proteine alimentari si collocano tendenzialmente in una fascia intermedia di purezza a seconda della loro applicazione. In particolare, diverse proteine dell'agricoltura cellulare si accumulano all'interno della cellula ospite piuttosto che essere destinate alla secrezione. Questo determina una maggiore complessità nel processo di purificazione e comporta un rischio maggiore di contaminazione da parte dei detriti cellulari. Tuttavia, questa situazione non è necessariamente svantaggiosa, in quanto potrebbe essere sfruttata per arricchire gli attributi sensoriali del prodotto finale, consentendo al contempo una riduzione nei costi di produzione. Ad esempio alcuni tipi di lievito utilizzati per produrre proteine possono presentare sapori particolarmente gradevoli, contribuendo a migliorare le proprietà organolettiche del prodotto finale.
L’obiettivo principale nel design del processo industriale è il costante miglioramento dell’efficienza di produzione, della sostenibilità, della sicurezza e della qualità del prodotto. L’innovazione nella progettazione del processo permette di ridurre l’impatto ambientale ma anche di abbassare i costi, ridurre i tempi di produzione e migliorare le caratteristiche del prodotto finale.
Ambiente, salute e società
La popolazione mondiale ha recentemente superato gli 8 miliardi di persone e si prevede che crescerà ulteriormente nei prossimi decenni, raggiungendo un picco stimato di circa 10 miliardi entro il 2050. L’attuale sistema produttivo, in particolare quello legato alle proteine animali, non è in grado di sostenere un simile aumento della domanda alimentare: richiede infatti un elevato consumo di risorse – acqua, energia, mangimi e superfici coltivabili – e comporta un forte impatto ambientale, sofferenza animale e rischi per la salute pubblica, come la diffusione di zoonosi e l’aumento della resistenza agli antibiotici.
In questo scenario, la fermentazione di precisione rappresenta una delle tecnologie più promettenti per migliorare la sostenibilità dei sistemi alimentari e rafforzare la sicurezza alimentare globale, senza rinunciare ai cibi che mangiamo oggi. Può infatti contribuire a ridurre l’impronta ecologica della produzione di alimenti, aprendo al tempo stesso nuove opportunità economiche e industriali in aree oggi scarsamente valorizzate. Un approccio integrato che combini la fermentazione con altre tecnologie di bioproduzione potrebbe amplificarne ulteriormente i benefici.
Questa tecnologia non è nuova: ha già rivoluzionato in passato i settori farmaceutico e alimentare. Ne è un esempio l’insulina, che un tempo veniva estratta dai pancreas di bovini e suini, con rese basse, alti costi e maggiore rischio di reazioni avverse. Oggi l’insulina viene prodotta su larga scala grazie a ceppi di Escherichia coli geneticamente modificati. Un altro esempio è il caglio, tradizionalmente ricavato dallo stomaco dei vitelli: oggi, oltre il 90% del caglio utilizzato nell’industria casearia mondiale è prodotto tramite fermentazione di precisione.
Negli ultimi anni, l’interesse per questa tecnologia è cresciuto rapidamente anche nel settore delle proteine alternative, con l’obiettivo di produrre ingredienti senza ricorrere all’allevamento animale. Numerosi governi hanno aumentato il proprio sostegno alla fermentazione di precisione, riconoscendone il potenziale per ridurre le emissioni, creare posti di lavoro qualificati e produrre cibo sfruttando meno risorse.
Negli Stati Uniti, l’agenzia DARPA ha avviato il programma Cornucopia, focalizzato sulla creazione di alimenti da microrganismi utilizzando risorse minime come aria, acqua ed elettricità. Inoltre, la Casa Bianca ha identificato la fermentazione di precisione come una priorità strategica nel report Building the Bioworkforce of the Future.
Anche l’Unione Europea ha mantenuto una posizione di leadership, finanziando nuovi impianti per la produzione di proteine alternative in Paesi come Francia e Finlandia. A livello nazionale, il Regno Unito ha stanziato fondi per centri di ricerca dedicati all’agricoltura cellulare, mentre la Germania ha annunciato investimenti significativi per sostenere la transizione verso proteine più sostenibili, sia a livello accademico che industriale.
Durante la COP28 di Dubai, un rapporto del Programma delle Nazioni Unite per l’Ambiente ha sottolineato il ruolo strategico della fermentazione nella lotta ai cambiamenti climatici, nella tutela della salute pubblica e nella riduzione dell’impatto ambientale dei sistemi alimentari. Il documento ha inoltre raccomandato l’adozione di politiche nazionali a sostegno dello sviluppo e dell’applicazione di queste tecnologie.
Un ambito particolarmente innovativo è rappresentato dalla fermentazione a gas, una tecnologia che svincola la produzione alimentare dalla necessità di zuccheri e amidi come materie prime, utilizzando invece gas atmosferici o derivati da processi industriali come fonte di carbonio. Attualmente, l’azienda SynonymBio ha ricevuto finanziamenti da Open Philanthropy per esplorare le potenzialità tecniche ed economiche di questo approccio. Questi studi si affiancano a precedenti valutazioni condotte, ad esempio, da ALLFED durante scenari di crisi alimentare globale, e a ricerche coordinate dal dott. Lutz Grossman, finanziato dal Good Food Institute (GFI), focalizzate sulla sostenibilità della fermentazione a gas. Questa tecnologia si configura come particolarmente promettente per la produzione di alimenti sostenibili anche in assenza di risorse agricole tradizionali.
In parallelo, aziende come Essential Impact si stanno impegnando nella commercializzazione di proteine fermentate a basso costo e alta qualità, rivolgendosi in particolare ai Paesi a basso e medio reddito. Questo approccio mira a contrastare la fame globale attraverso soluzioni biotecnologiche accessibili e innovative, con un occhio attento alla giustizia alimentare e alla sostenibilità ambientale.
Industria
Nel 2023, la banca dati del Good Food Institute (GFI) ha identificato 158 aziende che si concentrano principalmente sulla fermentazione per la produzione di proteine alternative, rispetto alle 153 del 2022. Inoltre, almeno 123 aziende sono entrate nel settore attraverso investimenti, partnership o altre vie alternative. Questo crescente interesse dimostra l'importanza della fermentazione nel futuro dell'industria alimentare.
Costruzione di nuovi impianti
L'espansione del mercato per i prodotti proteici alternativi supportati dalla fermentazione ha portato alla necessità di impianti di fermentazione sempre più grandi e numerosi. Tuttavia, come evidenziato dall'analisi della capacità produttiva condotta da GFI e Integration Consulting nel 2023, molti impianti esistenti nei settori farmaceutico, degli enzimi industriali, dei carburanti e delle bevande non sono adatti alla produzione di proteine alternative, rappresentando un ostacolo per la crescita del settore.
Nonostante queste sfide, nel 2023 sono stati compiuti progressi significativi:
La startup austriaca Arkeon Biotechnologies ha avviato una struttura pilota a Vienna (Austria) per produrre proteine da anidride carbonica tramite fermentazione.
MicroHarvest, azienda tedesca specializzata nella fermentazione di biomassa, ha aperto un impianto pilota a Lisbona (Portogallo) con una capacità di produzione di 25 chilogrammi di proteine cellulari al giorno.
Aqua Cultured Foods, azienda di Chicago (USA) che produce alternative di frutti di mare tramite fermentazione, ha avviato la costruzione di un nuovo stabilimento produttivo tre volte più grande della sede attuale.
Liberation Labs, specializzata nella fermentazione di precisione, ha iniziato i lavori per il suo primo impianto su scala commerciale a Richmond, Indiana (USA).
Collaborazioni
Molte delle principali aziende alimentari e della carne a livello mondiale sono entrate nel settore della fermentazione attraverso investimenti, acquisizioni e partnership. Queste aziende, come Nestlé, Kraft Heinz, Cargill, e Tyson, grazie alla loro infrastruttura e rete distributiva consolidata, hanno il potenziale per accelerare lo sviluppo del settore.
Per ulteriori informazioni piú aggiornate vi invitiamo a consultare il report del Good Food Institute: Fermentation State of the Industry (2024) e questo blog.
Regolamentazione
Le normative alimentari per la commercializzazione di prodotti ottenuti tramite fermentazione di precisione variano a livello globale. Due principali approcci nel mondo Occidentale sono: quello degli Stati Uniti, che coinvolge la la Food and Drug Administration (FDA) e prevede lo status di Generally Recognized as Safe (GRAS), e quello dell’Europa, con l’European Food Safety Authority (EFSA) e l’autorizzazione come “Nuovi Alimenti” o “Novel Food”.
Il quadro normativo GRAS della FDA statunitense si concentra sulla sicurezza del prodotto finito e del processo, comprese tossicità, genotossicità e cancerogenicità. Le aziende di solito certificano autonomamente che il loro prodotto è GRAS presentando un dossier sulla sicurezza alla FDA. La FDA esamina il dossier: se i criteri GRAS sono soddisfatti, la FDA risponde con una lettera “No Questions”, che indica che i revisori della FDA sono soddisfatti dei test di sicurezza eseguiti e non mettono in dubbio le conclusioni per l'uso finale previsto. Paesi come Singapore e Canada seguono un approccio normativo simile che richiede la presentazione di dati scientifici dettagliati sulla sicurezza da revisionare.
A differenza dell'FDA, l'EFSA esegue attivamente valutazioni sulla sicurezza dei Novel foods. L'EFSA esamina attentamente l'organismo che produce proteine derivate dalla fermentazione e il suo materiale genetico. Pertanto, i dossier di sicurezza richiesti da EFSA includono le sequenze genetiche, le modifiche del genoma e la sicurezza del processo e del prodotto.
Gli aspetti normativi potenzialmente coinvolti includono:
"Novel" o convenzionale: a seconda del contesto, i prodotti della fermentazione di precisione possono essere classificati come nuovi o rientrare in categorie esistenti.
OGM o non OGM: anche se i microrganismi geneticamente modificati non sono presenti nel prodotto finale, la loro presenza nel processo produttivo può attivare normative OGM.
Additivi o ingredienti: i prodotti della fermentazione di precisione possono generare diversi tipi di composti classificabili come enzimi, aromi, vitamine, ecc., e quindi soggetti a regolamenti specifici.
Inoltre, i prodotti devono comunque rispettare gli standard di sicurezza e allergenicità previsti per i prodotti convenzionali.
Un caso esemplare del processo di approvazione di un prodotto ottenuto dalla fermentazione di precisione è rappresentato dalla leghemoglobina: prodotta da un lievito ingegnerizzato (Pichia pastoris) e utilizzata da Impossible Foods™ per dare ai suoi hamburger a base vegetale il sapore e il colore della carne animale. Come raccontato dall’azienda stessa, nel 2014 Impossible Foods sottopose il suo ingrediente chiave – la leghemoglobina di soia (o heme) – a un’attenta valutazione. Un gruppo indipendente di esperti statunitensi in sicurezza alimentare analizzò i dati forniti dall’azienda e concluse all’unanimità che l’ingrediente era “generalmente riconosciuto come sicuro” (GRAS). Nel 2017, Impossible Foods pubblicò i propri dati sui test di sicurezza, che vennero resi accessibili online dalla FDA per garantire massima trasparenza e permettere l’esame pubblico e scientifico. Nel 2018, dopo un processo approfondito e indipendente, la FDA concluse di non avere ulteriori dubbi sulla sicurezza della leghemoglobina. Nel 2019, la FDA autorizzò formalmente l’uso della leghemoglobina come colorante alimentare, riconoscendo la solidità dei dati forniti. Tra il 2019 e il 2020, le autorità per la sicurezza alimentare di Singapore, Canada, Australia e Nuova Zelanda effettuarono analisi indipendenti e giunsero anch’esse alla conclusione che la leghemoglobina è sicura per il consumo.
Tuttavia nel 2021, nonostante le approvazioni ufficiali, il Center for Food Safety (CFS), un gruppo statunitense contrario all’ingegneria genetica, depositò un memoriale legale nell’ambito di una causa contro la FDA, sostenendo che i prodotti Impossible non fossero sicuri e mancassero di basi scientifiche. Nello stesso anno, Impossible Foods respinse le accuse come completamente false, affermando che i propri prodotti erano tra i più testati e verificati nella storia della FDA. L’azienda ribadì la solidità scientifica e l’assenza di effetti avversi anche a dosaggi estremamente elevati dell’ingrediente heme. La Corte confermò la decisione della FDA, dichiarando che l’agenzia aveva correttamente applicato gli standard di sicurezza e che esistevano prove sostanziali a supporto dell’approvazione della leghemoglobina come colorante.
Recentemente, l’EFSA ha pubblicato un parere scientifico riguardante la sicurezza della leghemoglobina di soia prodotta tramite un lievito geneticamente modificato (Komagataella phaffii, nuovo nome di Pichia pastoris in seguito a analisi filogenetiche). Il parere è stato redatto dal Panel EFSA sugli additivi alimentari (dall’inglese Panel on Food Additives and Flavourings, FAF Panel), che ha valutato le informazioni fornite dal produttore. L’obiettivo era determinare se l’uso della leghemoglobina come colorante alimentare nei prodotti analoghi alla carne fosse sicuro per il consumo umano nelle condizioni proposte. In breve, lo studio ha dimostrato che, durante la digestione, la leghemoglobina viene degradata in peptidi, amminoacidi e ferro eme di tipo B (simile a quello presente naturalmente nella carne), senza produrre sottoprodotti dannosi. Anche i test di genotossicità, ovvero quelli che valutano il potenziale di causare mutazioni nel DNA, non hanno mostrato segnali di rischio. Un aspetto importante considerato è il contenuto di ferro eme. L’esposizione stimata al ferro eme, derivante dalla leghemoglobina in questione, risulta comparabile a quella derivante dal consumo di carne, e comunque al di sotto dei limiti di sicurezza già stabiliti dal Panel EFSA sui prodotti dietetici, la nutrizione e le allergie (Panel on Nutrition, Novel Foods and Food Allergens o NDA Panel). Dalla valutazione non sono emerse preoccupazioni per la sicurezza ai livelli d’uso indicati. Non sono stati osservati effetti tossici nei test disponibili, quindi non è stato ritenuto necessario stabilire un limite di dose giornaliera accettabile (Acceptable Daily Intake o ADI).
Tuttavia, questa conclusione è provvisoria, in quanto è subordinata alla valutazione separata da parte del Panel EFSA sugli organismi geneticamente modificati (GMO Panel) del ceppo GM specifico utilizzato per produrre la proteina (MXY0541). Anche se il lievito Komagataella phaffii è già presente nell’elenco EFSA degli organismi con presunzione qualificata di sicurezza (Qualified Presumption of Safety o QPS), ciò si riferisce solo ai ceppi non modificati geneticamente. Per questo motivo, l’autorizzazione finale all’uso di leghemoglobina dipenderà dalla valutazione del ceppo modificato geneticamente da parte del Panel GMO.
In sintesi, la leghemoglobina di soia prodotta da Komagataella phaffii MXY0541 non desta preoccupazioni per la salute umana nei livelli d’uso proposti, ma il via libera finale è subordinato all’approvazione del ceppo geneticamente modificato. L’uso della proteina come colorante per prodotti vegetali simili alla carne è considerato sicuro sotto ogni altro punto di vista già analizzato.