Grazie ad una svolta rivoluzionaria nel campo dell'amido, la pasta più sana potrebbe presto essere disponibile. / Healthier pasta may be on the menu thanks to super-sized starch breakthrough

Grazie ad una svolta rivoluzionaria nel campo dell'amido, la pasta più sana potrebbe presto essere disponibile. / Healthier pasta may be on the menu thanks to super-sized starch breakthrough

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli scienziati hanno coltivato grano contenente granuli di amido di dimensioni eccezionali: un passo avanti nell'ingegneria biologica con potenziali benefici per la nostra alimentazione quotidiana ed una serie di applicazioni industriali.  

L'amido di cereali unico nel suo genere, creato dal gruppo di ricerca di Seung presso il John Innes Centre (Norwich, Regno Unito), potrebbe portare a pasta e pane più sani ed a digestione più lenta. Potrebbe inoltre generare vantaggi per numerose industrie multimilionarie che utilizzano l'amido nei processi produttivi e che potrebbero beneficiare di granuli di dimensioni maggiori. Tra queste, la molitura della farina, la produzione di carta e la produzione di prodotti farmaceutici, cosmetici, tessili e biochimici.

Questo risultato biotecnologico realizza un obiettivo a lungo perseguito dai ricercatori che studiano le proprietà dell'amido, un carboidrato complesso che contribuisce fino al 50% del nostro apporto calorico giornaliero.

L'amido ad alto contenuto energetico che consumiamo nei cereali come pasta e pane contiene un mix di granuli grandi e piatti di tipo A e granuli piccoli e sferici di tipo B.

La dimensione dei granuli ha una grande influenza sul modo in cui digeriamo l'amido. I granuli più grandi vengono digeriti più lentamente perché hanno una superficie minore disponibile per gli enzimi digestivi. L'amido che resiste alla digestione nel tratto gastrointestinale superiore è chiamato amido resistente, una forma di fibra alimentare che viene elaborata nel tratto gastrointestinale inferiore.

Questo apporta benefici al microbiota intestinale ed evita i picchi improvvisi di glicemia legati al diabete di tipo 2 ed all'obesità associati al consumo di amidi tradizionali. Inoltre, alcune evidenze suggeriscono che i granuli di amido più grandi migliorino la consistenza degli alimenti.

I granuli di amido di dimensioni maggiori offrono vantaggi nella produzione di carta ed imballaggi perché sono più facili da separare, semplificando così il processo. In altri settori, contribuiscono a migliorare le proprietà leganti ed addensanti.

Tuttavia, nonostante questi benefici ben noti, i fattori genetici che controllano le dimensioni dei granuli di amido e ne limitano la crescita erano poco conosciuti.

Il gruppo del John Innes Centre ha ideato degli esperimenti per sviluppare una varietà di grano duro, utilizzato per la produzione di pasta, che potrebbe produrre amido con granuli di tipo A più grandi.

Hanno scoperto che due fattori cellulari limitano le dimensioni dei granuli di amido: in primo luogo, lo spazio disponibile per la crescita dei granuli nell'amiloplasto, lo spazio di accumulo per l'amido nei chicchi di grano, ed in secondo luogo, il numero di granuli che si formano e che competono per i substrati di crescita.

Hanno modificato geneticamente le piante per sbloccare questi due fattori limitanti, creando uno spazio di accumulo di amido più ampio ed un minor numero di processi di formazione dei granuli, ottenendo così granuli di dimensioni senza precedenti nei cereali.

Le immagini ottenute tramite microscopia elettronica a scansione (SEM) presso il John Innes Centre hanno confermato che le piante di grano sperimentali producevano granuli di amido di tipo A di dimensioni fino a 50 micrometri, ovvero più del doppio rispetto alla dimensione tipica di 20 micrometri. Oltre la metà dei granuli aveva una dimensione di 30 micrometri, rispetto al 6% dell'amido di grano comune.

"Speravamo che la nostra ipotesi si rivelasse corretta, ovvero che con uno spazio di crescita maggiore ed una minore competizione per il substrato avremmo ottenuto granuli più grandi, ma siamo rimasti totalmente sorpresi dalle dimensioni dei nuovi granuli. Abbiamo persino dovuto regolare l'apertura dell'analizzatore di dimensioni delle particelle per riuscire a catturarne l'intera scala", ha commentato Rose McNelly, prima autrice dello studio, pubblicato su Science Advances.

Le piante di grano tenero modificate geneticamente per avere granuli di amido più grandi sono state prodotte utilizzando metodi di selezione tradizionali, a partire da una popolazione mutante TILLING, presso il John Innes Centre.

Questa risorsa ha permesso al gruppo di selezionare piante con mutazioni nei due geni che controllano le dimensioni degli amiloplasti e l'inizio della formazione dei granuli, e quindi di incrociare nuove piante con doppia mutazione che combinassero entrambe queste caratteristiche.

Esiste solo una lieve variazione naturale tra le cultivar di grano per quanto riguarda le dimensioni dei granuli di amido, motivo per cui è stato necessario l'approccio ingegneristico utilizzato in questo studio. I risultati si applicano principalmente alle colture cerealicole come il grano e l'orzo, che contengono questa combinazione unica di granuli di tipo A e di tipo B.

L'obiettivo del gruppo di Seung e dei suoi colleghi del Quadram Institute (Norwich, Regno Unito) è quello di creare pasta a partire da piante contenenti questi granuli di amido più grandi e di testarla su esseri umani per verificarne la resistenza alla digestione ed i relativi benefici. Questo studio rappresenta una dimostrazione di fattibilità che potrebbe essere applicata anche al grano tenero.

"Ci eravamo prefissati di dimostrare un'idea che avesse un senso concettuale. Spesso in biologia le cose non funzionano sempre così, ma in questo caso sì, superando di gran lunga le nostre aspettative", ha osservato Rose.

"È un esempio perfetto di scienza fondamentale che in futuro potrebbe rivelarsi utile per la salute pubblica in ambito alimentare e per l'industria", ha continuato.

Fred Warren, responsabile di un gruppo di ricerca presso il Quadram Institute e coautore dell'articolo, ha aggiunto: "La variazione delle dimensioni dei granuli di amido all'interno di una singola coltura di cereali è un fenomeno del tutto nuovo e non sappiamo ancora quale impatto possa avere sulla digestione degli alimenti e sul microbiota intestinale. Al Quadram Institute stiamo collaborando con il John Innes Centre per comprendere le implicazioni di questo fenomeno per lo sviluppo di nuovi alimenti con ulteriori benefici per la salute. Generando alimenti come la pasta a partire da questo materiale, possiamo valutare se esiste il potenziale per ottenere benefici come la riduzione della glicemia post-prandiale od il miglioramento della diversità microbica intestinale dal consumo di questi amidi geneticamente modificati."

ENGLISH

Scientists have grown wheat containing super-sized starch granules – a leap forward in biological engineering with potential benefits for our daily diets and a raft of industrial applications.  

The unique cereal starch created by the Seung group at the John Innes Centre (Norwich, UK) could lead to healthier, slower-digesting pasta and bread. It could also reap dividends for many multi-million-pound industries that use starch in processing and may benefit from larger granules. These include flour milling, paper making and the production of pharmaceuticals, cosmetics, textiles and biochemicals.

The biotechnological achievement fulfills a long-established ambition among researchers investigating the properties of starch, a complex carbohydrate that contributes up to 50% of our dietary calories.

The energy-rich starch that we consume in cereals such as pasta and bread contains a mix of large, flat A-type granules and small, spherical B-type granules.

Granule size has a major influence on how we digest starch. Larger granules digest more slowly because they have less surface area available for digestive enzymes. Starch that resists digestion in the upper gastrointestinal tract is called resistant starch, a form of dietary fiber that is processed in the lower gastrointestinal tract.

This benefits the gut microbiome and avoids the sudden blood sugar spikes linked with type 2 diabetes and obesity associated with regular starches. There is also some evidence that larger starch granules enhance the texture in food.

Larger starch granules offer benefits in paper manufacturing and packaging because they are easier to separate, which simplifies processing. In other industries, they assist binding and thickening properties.

However, despite these well-known benefits, the genetic factors that control starch granule size and limit starch granule growth were poorly understood.

The John Innes Centre team devised experiments to develop durum wheat, used to make pasta, which might yield starch with larger A-type granules.

They discovered that two cellular factors limit starch granule size – firstly the space available for granule growth in the amyloplast, the storage space for starch in wheat grains, and secondly the number of granules initiated that compete for growth substrates.

They engineered plants that unblock these two limiting factors by creating a larger starch storage space and fewer granule initiations, resulting in larger granules of unprecedented scale in cereals.

Scanning Electron Microscopy imaging carried out at the John Innes Centre confirmed that the experimental wheat plants produced A-type starch granules that were up to 50 micrometers in size, which is more than double the typical size of 20 micrometers. More than half of the granules were 30 micrometers in size, compared to 6%  in regular wheat starch.

“We were hoping our hypothesis would be correct, that with both a larger space to grow and less competition for substrate we would get bigger granules – but we were totally surprised by quite how big the new granules were. We even needed to adjust the aperture on the particle size analyser to capture the full scale,” commented Rose McNelly, first author of the study, which appears in Science Advances.

The pasta wheat plants engineered to have larger starch granules were produced using traditional breeding methods using a TILLING mutant population at the John Innes Centre.

This resource enabled the team to select plants with mutations in the two genes controlling amyloplast size and granule initiation and then breed new double mutant plants combining both these traits.

There is only minor natural variation among wheat cultivars in starch granule size, which is why the engineering approach in this study was necessary. The findings primarily apply to cereal crops such as wheat and barley, which contain this unique combination of A-type and B-type granules.

The aim of the Seung group, and colleagues at the Quadram Institute (Norwich, UK), is to create pasta made from plants containing these larger starch granules and test them in human trials to see if they are resistant to digestion with all the benefits that follow. This study is a proof of concept that could also be applied to bread wheat.

“We set out to prove an idea that conceptually makes sense. Often in biology things do not always work like that, but in this case it did, completely exceeding our expectations,” noted Rose.

“It’s a perfect example of fundamental science that may in future be useful for public dietary health and industry,” she continued.

Fred Warren, a group leader at Quadram Institute and a co-author on the paper, added: “Variation in starch granule size within a single cereal crop is highly novel, and we do not yet know what the impact may be on food digestion and the gut microbiome. At Quadram Institute we are working with the John Innes Centre to understand what the implications of this could be for the development of novel foods with additional health benefits. By generating foods such as pasta from this material we can explore if there is the potential to gain benefits such as reduced post-prandial glycaemia or improvements in gut microbial diversity from consuming these engineered starches.”

Da:

https://www.biotechniques.com/plant-climate-science/healthier-pasta-may-be-on-the-menu-thanks-to-super-sized-starch-breakthrough/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Tech%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-_N2O4I8pwKefq11x6Vr2M5IIL6C-Z_OAdxJNdsP6EukeXPHNOrRBEqrMU3yDVoBdvx4y0ozeGlcZ3D6t74_bHF2rgf5SOYdb0zZh0MHXt1oM3E3r8&_hsmi=429421243&utm_content=429352030&utm_source=hs_email