Gli scienziati manipolano i batteri per ottenere due prodotti di valore dalla fibra vegetale.

20 dicembre 2023

Questo articolo è stato sottoposto ad una revisione secondo i processi editoriali e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi, garantendo la credibilità dei contenuti:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a peer review
• fonte affidabile
• corretto di bozze

a cura di Chris Hubbuch, University of Wisconsin-Madison

Spesso cerchiamo nelle forme di vita più piccole aiuto per risolvere i problemi più grandi: i microbi aiutano a produrre alimenti e bevande, curare malattie, trattare rifiuti e persino pulire l'inquinamento. Lieviti e batteri possono anche convertire gli zuccheri delle piante in biocarburanti e sostanze chimiche tradizionalmente ottenute dai combustibili fossili, un componente chiave della maggior parte dei piani per rallentare il cambiamento climatico.

Ora i ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato batteri in grado di produrre contemporaneamente due prodotti chimici da fibre vegetali sottoutilizzate. E a differenza degli esseri umani, questi microbi multitasking possono fare entrambe le cose allo stesso modo.

"Per quanto ne so, è una delle prime volte in cui è possibile ottenere due prodotti di valore contemporaneamente in un solo microbo", afferma Tim Donohue, professore di batteriologia alla UW-Madison e direttore del Great Lakes Bioenergy Research Center.

La scoperta, descritta in un articolo nel giornale Applied and Environmental Microbiology, potrebbe contribuire a rendere i biocarburanti più sostenibili e commercialmente vantaggiosi.

"In linea di principio, la strategia riduce le emissioni nette di gas serra e migliora l'economia", afferma Donohue. "La quantità di energia e di gas serra necessaria per produrre due prodotti in un unico contenitore sarà inferiore rispetto a quella richiesta per produrre un prodotto in ogni contenitore usando due recipienti separati".

La sfida di sostituire i combustibili fossili con alternative sostenibili dipende dal ricavare il massimo valore possibile dalla biomassa rinnovabile. Proprio come per i prodotti petrolchimici, ogni molecola conta: i prodotti ad alto valore e a basso volume aiutano a mantenere più accessibile il carburante.

Uno dei principali ostacoli è una parte della parete cellulare delle piante chiamata lignina. La lignina è la fonte di carboidrati aromatici rinnovabile più abbondante al mondo, ma la sua struttura irregolare la rende notoriamente difficile da smantellare in componenti utili.

Ecco perché gli scienziati del GLBRC hanno studiato un batterio chiamato Novosphingobium aromaticivorans (talvolta chiamato semplicemente Novo), in grado di digerire molti componenti della lignina e relativamente facile da modificare geneticamente.

Nel 2019, i ricercatori hanno modificato un ceppo di Novo in modo da poter produrre un componente chiave di plastiche come il nylon e il poliuretano, noto come PDC. Più recentemente, un team del laboratorio di Donohue ha scoperto un'altra modifica che permette a Novo di produrre un diverso componente plastico chiamato ccMA.

Ma non si sono fermati lì.

"Non risolveremo il problema delle emissioni di carbonio producendo solo due prodotti", afferma Ben Hall, un dottorando che ha contribuito alla ricerca.

Il team di Donohue ha utilizzato la modellazione genomica per stilare una lista di potenziali prodotti che potrebbero essere ottenuti dagli aromatici della biomassa. In cima alla lista c'era la zeaxantina, uno dei gruppi di pigmenti organici noti come carotenoidi.

I carotenoidi, che conferiscono alle carote, alle zucche, ai salmoni e persino ai fenicotteri i loro colori distintivi, vengono utilizzati come integratori alimentari, farmaceutici e cosmetici e hanno un valore di mercato cumulativo di decine di miliardi di dollari all'anno.

I ricercatori sapevano che Novo aveva i geni per produrre un altro carotenoidi di scarso valore di mercato. In base alla sequenza genomica del batterio, si sospettava che la zeaxantina fosse una pietra miliare verso quel carotenoidi meno prezioso nel processo che le cellule utilizzano per produrre molecole complesse. Era solo una questione di modificare i geni giusti per bloccare la linea di assemblaggio digestivo nel prodotto più prezioso.

Cancellando o aggiungendo geni selezionati, hanno sviluppato ceppi in grado di produrre zeaxantina e altri carotenoidi di valore: beta-carotene, licopene e astaxantina, quando coltivati su un composto aromatico comunemente presente nella lignina.

Successivamente, il team ha dimostrato che i batteri modificati potevano produrre gli stessi carotenoidi da una soluzione liquida ottenuta da steli di sorgo macinati e trattati, una soluzione che contiene una miscela di aromatici che molti batteri industriali non possono digerire.

Hall si è chiesto cosa sarebbe successo se avesse combinato le modifiche genetiche necessarie per produrre PDC e un carotenoidi nel medesimo microbo.

I ceppi risultanti hanno prodotto sia PDC che il carotenoidi desiderato, senza perdite apprezzabili sulla resa di entrambi. Ancora meglio, i batteri hanno accumulato carotenoidi all'interno delle loro cellule, che devono essere separate dalla soluzione contenente il PDC, che essi secernono.

"Stiamo già separando le cellule dal mezzo", afferma Hall. "Ora avremmo un prodotto che esce da entrambi".

The next steps include testing whether engineered strains can simultaneously produce carotenoids and ccMA, which Donohue thinks they will, and to engineer strains to improve yields in industrial conditions.

While there are lucrative markets for each of these products, Donohue and Hall say the real value of the discovery is the ability to add multiple functions to this biological platform.

'To me, it's both the strategy and the products,' Donohue says. 'Now that we've done this, I think it opens the door to see if we can create other microbial chassis that make two products.'

Journal information: Applied and Environmental Microbiology

Provided by University of Wisconsin-Madison