Sushi, un vitello Holstein di quattro settimane, giaceva in un recinto sotto il ronzio di un ventilatore di metallo quando un gruppo di professori e studenti laureati è arrivato per testare il suo stomaco. Il vitello maschio ha accolto i ricercatori con un amichevole morso ai loro vestiti, poi si è lasciato cadere di nuovo pigramente su un letto di lolla di riso.
Ma anche mentre la mucca dormiva, nel profondo del suo stomaco a quattro camere, minuscoli organismi erano al lavoro. Funghi, batteri e altre piccole creature stavano scomponendo il mangime in energia e sostanze chimiche, mettendo in moto un antico processo che oggi riscalda la Terra più di ogni volo attraverso il mondo messo insieme.

Sushi, un vitello di quattro settimane, è l'inizio di un esperimento di ingegneria genetica in California. Consiste nel modificare la composizione dello stomaco di Sushi.
Gli scienziati stanno cercando un modo per trasformare l'intestino di Sushi, in modo che non rilasci più metano, responsabile del riscaldamento del pianeta.
Il vitello da 125 libbre appartiene alla prima ondata di un esperimento pluriennale da circa 30 milioni di dollari condotto da scienziati dell'Università della California a Davis e dell'Innovative Genomics Institute per modificare il funzionamento interno dello stomaco della mucca. Le mucche, una delle creature più utilizzate sul pianeta, producono enormi quantità di metano, un potente gas serra responsabile del 30 percento del riscaldamento globale.

Utilizzando strumenti che tagliano e trasferiscono il DNA, i ricercatori hanno in programma di modificare geneticamente i microbi nello stomaco della mucca per eliminare quelle emissioni. Se ci riuscissero, potrebbero spazzare via la più grande fonte di metano creata dall'uomo e contribuire a cambiare la direziione del riscaldamento. "È completamente fuori dagli schemi", ha detto Ermias Kebreab, professore di zootecnia alla UC-Davis. "Nessuno lo aveva mai fatto prima".

Ci sono circa 1,5 miliardi di mucche sul pianeta. I loro sistemi digestivi sono a dir poco miracolosi: possono sopravvivere con erba, mais ed erba medica, ma anche con i sottoprodotti malconci delle colture umane: gusci di mandorle, bucce di mais, persino segatura. Le mucche hanno un aiuto. Un ricco microbioma nella camera più grande del loro stomaco, noto come rumine, smantella questi alimenti e li trasforma in energia utilizzabile.
"È incredibile", ha detto Spencer Diamond, responsabile della modellazione del microbioma presso il genomics institute. "Funziona in modo incredibile e non fallisce mai".
Ma il rumine ha un lato oscuro. La camera porosa e carnosa ospita organismi unicellulari chiamati archaea, che scompongono idrogeno e anidride carbonica, producendo metano. Incapaci di elaborare il gas, le mucche lo ruttano. Una mucca media produce circa 220 libbre di metano all'anno, ovvero circa la metà delle emissioni di un'auto media; le mucche sono attualmente responsabili di circa il 4 percento del riscaldamento globale, secondo la Food and Agriculture Organization.

Le soluzioni parziali abbondano. Aziende come Impossible Foods e Beyond Meat hanno sviluppato prodotti di carne bovina a base vegetale che hanno l'aspetto, l'odore e il sapore della vera carne. Gli ambientalisti hanno esortato i consumatori a ridurre la carne bovina e a optare invece per pollo e pesce a basse emissioni. Ma man mano che i paesi diventano più ricchi, la produzione di carne bovina continua ad aumentare, negli ultimi 15 anni, del 13 percento a livello globale.
Aggiungere alghe, origano o aglio alla dieta delle mucche può ridurre le emissioni di metano, a volte fino all'80 percento. Ma solo circa 1 bovino su 10 negli Stati Uniti, in gran parte quelli che producono latte, viene nutrito ogni giorno dagli esseri umani. Il rapporto è simile a livello globale. Il resto, per lo più bovini da carne, pascola liberamente nei pascoli, sopravvivendo con erba e foraggio. Far mangiare alghe o aglio a quei miliardi di bovini che pascolano liberi è logisticamente quasi impossibile.

Entra in gioco un team di editori di geni. Gli scienziati immaginano una specie di pillola probiotica, data alla mucca alla nascita, che possa trasformare il suo microbioma in modo permanente. Utilizzando strumenti di editing genetico, i ricercatori hanno già allevato bovini senza corna o con speciali pellicce lisce che li aiutano a rimanere freschi durante le temperature in aumento. L'attuale progetto non si rivolge solo a una particolare specie di mucca, ma prende di mira il microbioma stesso, offrendo una soluzione che potrebbe essere applicata a tutte.
Brad Ringeisen, direttore esecutivo dell'istituto di genomica, ha mosso i primi passi dirigendo la biotecnologia presso l'agenzia di ricerca per la difesa degli Stati Uniti DARPA, che ha contribuito a introdurre innovazioni rivoluzionarie, tra cui Internet, il GPS miniaturizzato, gli aerei stealth e il mouse per computer.
"Sto prendendo la mentalità della DARPA qui", ha detto. "Risolviamolo per tutte le mucche, non solo per una frazione di esse".

Nella fattoria lattiero-casearia Davis, due studenti laureati e un postdoc hanno infilato un lungo tubo di metallo a tre piedi nello stomaco di Sushi e hanno collegato una pompa. Ne è uscito un liquido sottile, color farina d'avena, un campione del rumine di Sushi, pieno di microbi e mangime parzialmente digerito.
Il vitello sembrava sorpreso, ma non particolarmente a disagio. (Questo è uno dei metodi meno invasivi per esaminare il rumine della mucca; un altro prevede la creazione di una apertura sul fianco della mucca).
Paulo de Méo Filho, un postdoc con accento brasiliano, ha utilizzato una pipetta lunga quanto il suo braccio per spostare con attenzione i campioni di rumine in piccole fiale. Poi, avvolto in una debole striscia di nebbia, ha immerso le fiale in un contenitore grande quanto un secchio di azoto liquido per conservarle per l'analisi del DNA.
Nelle ultime quattro settimane della sua vita, Sushi è stato nutrito con pochi grammi di olio distillato dalle alghe rosse, uno dei metodi più collaudati per ridurre la produzione di metano nello stomaco delle mucche.
Ora, gli scienziati stanno cercando di capire esattamente come quell'olio abbia trasformato l'intestino di Sushi. Poi hanno in programma di replicare quei cambiamenti con l'editing genetico.

Nonostante l'umanità dipenda dalle mucche (che producono circa 76 milioni di tonnellate di carne bovina e 930 milioni di tonnellate di latte all'anno), il funzionamento interno della camera gastrica più grande della mucca è ancora in gran parte un mistero. Nel corso di milioni di anni, il microbioma della mucca si è evoluto per aiutare l'animale a trasformare il mangime in energia. È una zuppa caotica di minuscoli organismi, tutti in lotta per risorse limitate, invisibili a occhio nudo.
"Il mondo microbico è una landa desolata brutale, alla Mad Max", ha detto Diamond, uno dei ricercatori genetici. "I microbi si uccidono a vicenda".
Non sarà facile cambiare. Il sistema è complesso e gli scienziati hanno raramente trasformato con successo i microbiomi di ruminanti come mucche, pecore e capre.
Quando le mucche mangiano, masticano il loro cibo, mescolandolo con la saliva, quindi lo ingoiano (Una mucca può produrre ben 40 galloni di saliva al giorno, a seconda della sua dieta). Parte di quel cibo viene ulteriormente scomposto attraverso la "ruminazione", in cui la mucca rigurgita parte del suo cibo, lo mastica ulteriormente, quindi lo ingoia di nuovo.
A differenza dello stomaco umano, che usa l'acido per scomporre il cibo, nel rumine della mucca, i microbi fanno tutto il lavoro. Fermentano il cibo, proprio come un birraio fa la birra.
 
I batteri scompongono gli zuccheri in acidi grassi, che forniscono energia alla mucca, e in due sottoprodotti: idrogeno e anidride carbonica.
La mucca emette metano nell'atmosfera, riscaldando il pianeta e contribuendo a provocare ondate di calore, inondazioni e potenti tempeste.
Ma gli scienziati sottolineano che non deve essere per forza così. Non c'è nulla di intrinseco alle mucche che richieda loro di rilasciare gas che riscaldano il pianeta: è solo l'accumulo di idrogeno e i microbi che si sono evoluti per consumare quel gas volatile.
"Non c'è motivo per cui una mucca debba produrre metano", ha affermato Ringeisen.
E se gli scienziati potessero semplicemente... spegnerlo?
A circa un'ora di distanza dal recinto di Sushi, Diamond e i suoi colleghi stanno utilizzando le fiale congelate contenenti cibo semi digerito per mappare l'interno dello stomaco di Sushi.
L'Innovative Genomics Institute, co-fondato da Jennifer Doudna, la chimica vincitrice del premio Nobel che ha contribuito a lanciare l'editing genetico CRISPR, occupa un edificio in vetro a più livelli nel centro di Berkeley, in California, proprio di fronte al campus principale. In uno dei laboratori, Brady Cress, responsabile dell'editing del microbioma dell'istituto, stava riproducendo una canzone country generata dall'intelligenza artificiale sulla trasformazione del microbioma bovino. Il ritornello della canzone usciva con un suono metallico dagli altoparlanti del suo telefono: "Cow rumen, stop fumin'".
CRISPR — clustered interspaced short palindromic repeats — è un set di sequenze di DNA presenti nei batteri e negli archaea. Se combinato con un enzima noto come Cas9, CRISPR può essere utilizzato come un paio di forbici guidate: affettando e tagliando a cubetti pezzi di DNA prima di sostituirli con nuovi segmenti.
Da quando Doudna e la scienziata francese Emmanuelle Charpentier hanno scoperto CRISPR-Cas9 nel 2012, la tecnologia o le sue varianti sono state utilizzate per progettare conigli fosforescenti, chicchi di caffè senza caffeina e persino gli embrioni di due gemelle per renderle presumibilmente immuni all'HIV. (Il ricercatore cinese responsabile di quest'ultimo esperimento è stato incarcerato per aver utilizzato illegalmente CRISPR sugli esseri umani.)

Oggi, gli scienziati dell'istituto stanno tentando di usare strumenti di editing genetico per risolvere problemi sociali. Si è parlato molto di come CRISPR potrebbe aiutare a risolvere problemi di salute umana, come l'anemia falciforme, il cancro o l'HIV. Ma alcuni scienziati qui pensano che l'applicazione più potente dello strumento potrebbe essere per il metano. Il metano, un potente gas serra, rimane nell'atmosfera per sette-dodici anni, mentre l'anidride carbonica può persistere per centinaia di anni. Ridurre queste emissioni, che provengono da bestiame, petrolio e gas e cambiamenti nell'uso del suolo, potrebbe anche rallentare drasticamente il tasso di riscaldamento.
"Personalmente penso che questo sia quello che può avere l'impatto maggiore nel mondo", ha detto Ringeisen. "Diciamo che potresti agitare una bacchetta magica ed eliminare tutte quelle emissioni".

Ci sono ancora molte domande sull'approccio. "Questo è il Santo Graal, se è possibile manipolare il microbioma del rumine", ha detto Alexander Hristov, professore di nutrizione casearia alla Pennsylvania State University che non è coinvolto nel progetto. "Ma dobbiamo tenere a mente che questo microbioma si è sviluppato nel corso di milioni di anni: è molto, molto difficile cambiarlo o modificarlo in modo permanente", ha detto.
James Marsh, professore di ingegneria del microbioma al Max Planck Institute for Biology in Germania, afferma che gli scienziati sono ancora nelle prime fasi dell'applicazione dell'ingegneria genetica all'intero microbioma. "Dobbiamo essere in grado di applicarla a tutti gli organismi in modo da poter davvero liberare la promessa dell'ingegneria microbica", ha affermato.

Giù nel laboratorio dell'istituto di genomica, Diamond, vestito con un camice blu scuro, ha aperto un congelatore grande quanto una mucca adulta, dove è conservato il materiale genetico. Dopo che il fluido ruminale di Sushi è stato congelato rapidamente e processato in un laboratorio a Davis, gli scienziati trasportano il materiale genetico qui ed estraggono il DNA. Quindi, iniziano a riassemblare le specie nel rumine da zero.
Mentre gli scienziati comprendono i contorni di base del rumine della mucca, stanno ancora mappando tutte le specie al lavoro, una specie di inventario microbico di ogni batterio, fungo e archea. Ciò è essenziale sia per capire quali specie stanno producendo metano, sia per modificare il processo.
"Sembra di essere in un safari", ha detto Diamond.
Lo descrive come l'assemblaggio di 100 puzzle contemporaneamente. Il processo di estrazione rompe il DNA di ogni microrganismo in centinaia di piccoli pezzi; con l'aiuto di un computer e dell'apprendimento automatico, i ricercatori riassemblano ciascuno di quei genomi.
Da lì, possono osservare come il microbioma è cambiato sotto il trattamento con le alghe e come imitarlo.
Finora, hanno scoperto che l'olio di alghe blocca un enzima che gli archaea usano per elaborare l'idrogeno. Senza di esso, il numero di archaea precipita.
Ciò lascia più idrogeno per i batteri, come questo chiamato duodenibacillus .
Come gli archaea, il duodenibacillus fagocita l'idrogeno, ma invece di trasformare l'H2 in metano, lo trasforma in più energia per la mucca.
Gli scienziati credono di poter imitare questo effetto con l'editing genetico. Potrebbero inserire modifiche nel duodenibacillus , o in un organismo simile, che lo rendono più veloce e più forte, aiutandolo a competere con gli archaea e a mangiare ancora di più.
Senza H2, gli archea non avranno nulla da mangiare e nulla da trasformare in metano.
Quando si elimina una specie indesiderata da un ecosistema, afferma Diamond, il mondo microbico è molto simile al mondo macro: è possibile colpire la specie in modi diversi.
Una comunità con un afflusso di cervi potrebbe avviare un programma di caccia: nel mondo microbico, ciò equivale a inserire un gene nei produttori di metano che li annientano.
Ma proprio come è difficile trovare e colpire tutti i cervi, è difficile garantire che uno strumento di editing genetico raggiunga tutti gli archea. "In realtà è molto difficile modificare ogni singolo microbo di un gruppo", ha detto Diamond.
Un'alternativa, e una che Cress e Diamond ritengono abbia maggiori probabilità di successo, è quella di introdurre un concorrente, una specie di alce microbico che potrebbe divorare l'idrogeno prima che gli archea abbiano la possibilità di trasformarlo in metano. Un batterio come  il duodenibacillus potrebbe essere dotato di vantaggi geneticamente modificati che lo mettono al di sopra degli archea.
"Vogliamo innescare un cambiamento permanente", ha affermato Matthias Hess, professore di zootecnia presso l'UC-Davis, che testerà alcuni dei trattamenti nel suo laboratorio.

Il trattamento ideale sarebbe una specie di trattamento probiotico precoce per una mucca, una capsula che un vitello potrebbe ingoiare e che creerebbe un cambiamento permanente nel suo microbioma. Mentre solo un piccolo numero di mucche viene nutrito ogni giorno, la maggior parte di loro riceve almeno un vaccino nella prima infanzia. I ricercatori immaginano una pillola probiotica somministrata con quei primi vaccini, che raggiunga mucche che altrimenti trascorrerebbero l'intera vita al pascolo.
Un probiotico del genere potrebbe anche migliorare la produttività di un'azienda agricola. Le mucche possono perdere fino al 12 percento della loro energia eruttando metano; anche altri ruminanti, come pecore e capre, perdono energia in questo modo. "Se esistesse un modo per reindirizzare quell'idrogeno e convertirlo in latte, carne, lana, sarebbe molto più accettato dagli agricoltori", ha affermato Kebreab.
I primi trattamenti saranno testati sulle mucche a Davis: i ricercatori ne monitoreranno i rutti per valutare la riduzione delle emissioni di metano.

C'è ancora molta strada da fare. Mentre gli scienziati hanno dimostrato di poter modificare geneticamente i microbi, i ricercatori hanno finora dimostrato solo di poter modificare una piccola frazione dei microbi nell'intestino della mucca, o dell'intestino umano, per quel che conta. I ricercatori dell'istituto stanno sviluppando strumenti di modifica genetica microbica, mentre stanno mappando le specie del microbioma. Stanno costruendo l'aereo mentre lo pilotano.
I team hanno ricevuto finanziamenti sufficienti per sette anni di ricerca. Il progetto è iniziato l'anno scorso e sperano di avere un trattamento sperimentale pronto per essere testato sulle mucche nei prossimi due anni.

Per alcuni scettici dell'editing genetico, una specie di pillola probiotica potenziata e modificata geneticamente potrebbe sembrare più gradita della modifica di un'intera specie di mucca o della coltivazione di carne in un bioreattore . Ma i timori di conseguenze indesiderate permangono, persino per i ricercatori. "Dobbiamo essere consapevoli del potere di queste tecnologie", ha affermato Diamond. "Le persone avranno paura dell'ignoto".
Tuttavia, la promessa di modificare i microbi è allettante. Non sono solo le mucche a produrre metano, ma anche capre, pecore, antichi avamposti di permafrost nell'Artico e zone umide paludose nelle regioni temperate. Le lezioni apprese dalle mucche, dice Ringeisen, potrebbero aiutare a progettare interventi per altri animali e persino per gli ecosistemi. "Sono convinto che questo sia un problema risolvibile", ha detto.

Tornato alla fattoria Davis, con il suo fluido ruminale congelato in sicurezza nei laboratori della Bay Area di San Francisco, Sushi il vitello ha piegato le gambe sotto di sé e si è sdraiata sul suo letto di lolla di riso per un pisolino. Una mosca si è posata sull'orecchio e lui l'ha scacciata. Tutto intorno a lui, le mucche della fattoria espiravano metano.


(Shannon Osaka - is a climate reporter covering policy, culture, and science for The Washington Post. Before joining The Post, she was a climate reporter at the nonprofit environmental outlet - Emily WrightEmily Wright - is a designer and art director on The Washington Post's climate and environment team -, su The Washington Post del 25/08/2024)


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