Batteri per le sostanze chimiche climaticamente neutre del futuro

I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno ingegnerizzato i batteri in laboratorio per utilizzare il metanolo in modo efficiente. Il metabolismo dei batteri può ora essere sfruttato per produrre prodotti preziosi attualmente realizzati dall’industria industria chimica dai combustibili fossili.

Batteri che si nutrono di metanolo e producono sostanze chimiche sostenibili. Illustrazione di Sean Kilian

L’industria chimica attualmente fa molto affidamento su risorse fossili come il petrolio greggio per produrre vari prodotti chimici come plastica, coloranti o aromi artificiali. “A livello globale se ne consumano 500 milioni di tonnellate all’anno, ovvero più di un milione di tonnellate al giorno”, afferma Julia Vorholt, professoressa all’Istituto di microbiologia dell’ETH di Zurigo. “Poiché queste conversioni chimiche sono ad alta intensità energetica, la vera CO₂ L’impronta ecologica dell’industria chimica è addirittura da sei a dieci volte maggiore, pari a circa il 5% delle emissioni totali a livello globale”. Lei e il suo team sono alla ricerca di modi per ridurre la dipendenza dell’industria chimica dai combustibili fossili.

Metanolo verde

Al centro di questi sforzi ci sono i batteri che si nutrono di metanolo, noti come metilotrofi. Contiene un solo atomo di carbonio, il metanolo è una delle molecole organiche più semplici e può essere sintetizzato dal gas serra anidride carbonica e acqua. Se l’energia per questa reazione di sintesi proviene da fonti rinnovabili, il metanolo viene definito “verde”.

“Esistono metilotrofi naturali, ma il loro utilizzo industriale rimane difficile nonostante i notevoli sforzi di ricerca”, afferma Michael Reiter, ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Vorholt, che lavora invece con il batterio modello biotecnologicamente ben compreso Escherichia coli. Da diversi anni il team di Vorholt persegue l’idea di dotare il batterio modello, che cresce sullo zucchero, della capacità di metabolizzare il metanolo.

Ristrutturazione completa del metabolismo

“Si tratta di una sfida importante perché richiede una ristrutturazione completa del metabolismo cellulare”, afferma Vorholt. Inizialmente, i ricercatori hanno simulato questo cambiamento utilizzando modelli computerizzati. Sulla base di queste simulazioni, hanno scelto due geni da rimuovere e tre nuovi geni da introdurre. “Di conseguenza, i batteri potrebbero assorbire metanolo, anche se solo in piccole quantità”, afferma Reiter.

Hanno continuato a far crescere i batteri in condizioni speciali in laboratorio per più di un anno finché i microbi non sono riusciti a produrre tutti i componenti cellulari dal metanolo. Nel corso di circa altre 1.000 generazioni, questi metilotrofi sintetici sono diventati sempre più efficienti, fino a raddoppiare ogni quattro ore se alimentati solo con metanolo. “Il miglioramento del tasso di crescita rende i batteri economicamente interessanti”, afferma Vorholt.

Ottimizzazione attraverso la perdita di funzionalità

Come descrive di recente il team di Vorholt pagina esterna articolo pubblicatochiamata_effettuata, diverse mutazioni che si verificano casualmente sono responsabili della maggiore efficienza nell’utilizzo del metanolo. La maggior parte di queste mutazioni hanno comportato la perdita della funzione di vari geni. A prima vista ciò sorprende, ma dopo un esame più attento risulta evidente che le cellule possono risparmiare energia grazie alla perdita di funzione dei geni. Ad esempio, alcune mutazioni causano il fallimento delle reazioni inverse di importanti reazioni biochimiche. “Ciò abolisce le conversioni chimiche superflue e ottimizza il flusso metabolico nelle cellule”, scrivono i ricercatori.

Prelievo di un campione da un bioreattore con batteri metilotrofi.

Per esplorare il potenziale dei metilotrofi sintetici per la produzione biotecnologica di sostanze chimiche sfuse di rilevanza industriale, Vorholt e il suo team hanno dotato i batteri di geni aggiuntivi per quattro diversi percorsi biosintetici. Nel loro studio, ora dimostrano che i batteri hanno effettivamente prodotto i composti desiderati in tutti i casi.

Piattaforma di produzione versatile

Per i ricercatori questa è una prova evidente che i loro batteri ingegnerizzati possono mantenere ciò che era stato originariamente promesso: i microbi sono una sorta di piattaforma di produzione altamente versatile in cui i moduli di biosintesi possono essere inseriti secondo il principio “plug-​and-play”, spingendo i batteri a convertire il metanolo nelle sostanze biochimiche desiderate.

Tuttavia, i ricercatori devono ancora aumentare in modo significativo la resa e la produttività per consentire un utilizzo dei batteri economicamente sostenibile. Vorholt e il suo team hanno recentemente ricevuto un fondo per l’innovazione “per espandere ulteriormente i piani verso le applicazioni e per selezionare i prodotti su cui concentrarsi per primi”, afferma Vorholt.

Ciclo per la produzione di sostanze chimiche rinnovabili come la plastica da parte di batteri che utilizzano metanolo. Credito immagine: ETH Zurigo

Quando Reiter parla di come ottimizzare la coltivazione dei batteri nei bioreattori, è pieno di entusiasmo. “Date le sfide del cambiamento climatico, è chiaro che sono necessarie alternative alle risorse fossili”, afferma. “Stiamo sviluppando una tecnologia che non emette ulteriore CO₂ nell’atmosfera”, afferma Reiter. E poiché i metilotrofi sintetici, oltre al metanolo verde, non richiedono alcuna fonte aggiuntiva di carbonio per la loro crescita e i loro prodotti, consentono “la produzione di sostanze chimiche rinnovabili che non gravano sull’ambiente”.

Fonte: Politecnico federale di Zurigo