Nuove vie metaboliche sintetiche per la fissazione dell’anidride carbonica utilizzando l’acido formico potrebbero non solo aiutare a ridurre il contenuto di anidride carbonica nell’atmosfera, ma anche sostituire i processi di produzione chimica convenzionali per prodotti farmaceutici e ingredienti attivi con processi biologici a emissioni zero.
Un nuovo studio dimostra un processo che può trasformare l’anidride carbonica in un materiale prezioso per l’industria biochimica via acido formico.
Il formiato può essere immaginato al centro di una bioeconomia a emissioni zero, dove viene prodotto da CO2 con mezzi (elettro-)chimici e convertito in prodotti a valore aggiunto da cascate enzimatiche o microbi ingegnerizzati. Un passo fondamentale nell’espansione dell’assimilazione del formiato sintetico è la sua riduzione termodinamicamente impegnativa a formaldeide, visibile qui come un cambiamento di colore giallo, utilizzando l’acido formico. Credito immagine: Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology/Geisel
In considerazione dell’aumento delle emissioni di gas a effetto serra, la cattura del carbonio, il sequestro dell’anidride carbonica da grandi fonti di emissioni, è una questione urgente. L’assimilazione dell’anidride carbonica avviene in natura da milioni di anni, ma la sua capacità è tutt’altro che sufficiente a compensare le emissioni di origine antropica.
I ricercatori guidati da Tobias Erb presso il Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology stanno utilizzando la cassetta degli attrezzi della natura per sviluppare nuovi modi di fissazione dell’anidride carbonica. Ora sono riusciti a sviluppare una via metabolica artificiale che produce la formaldeide altamente reattiva dall’acido formico, un possibile prodotto intermedio della fotosintesi artificiale.
La formaldeide potrebbe essere immessa direttamente in diverse vie metaboliche per formare altre preziose sostanze senza alcun effetto tossico. Come nel processo naturale, sono necessarie due componenti primarie: energia e carbonio. Il primo può essere fornito non solo dalla luce solare diretta, ma anche dall’elettricità, ad esempio dai moduli solari.
L’acido formico è un elemento costitutivo C1
All’interno della catena del valore aggiunto, la fonte di carbonio è variabile. l’anidride carbonica non è l’unica opzione qui, tutti i monocarburi (elementi costitutivi C1) entrano in discussione: monossido di carbonio, acido formico, formaldeide, metanolo e metano.
Tuttavia, quasi tutte queste sostanze sono altamente tossiche, sia per gli organismi viventi (monossido di carbonio, formaldeide, metanolo) che per il pianeta (metano come gas serra). Solo l’acido formico, quando neutralizzato al suo formiato di base, è tollerato da molti microrganismi in alte concentrazioni.
“L’acido formico è una fonte di carbonio molto promettente”, sottolinea Maren Nattermann, prima autrice dello studio. “Ma convertirlo in formaldeide nella provetta è piuttosto dispendioso in termini di energia”. Questo perché il sale dell’acido formico, formiato, non può essere convertito facilmente in formaldeide.
“C’è una seria barriera chimica tra le due molecole che dobbiamo colmare con l’energia biochimica – ATP – prima di poter eseguire la reazione vera e propria”.
L’obiettivo del ricercatore era trovare un modo più economico. Dopotutto, meno energia serve per alimentare il carbonio nel metabolismo, più energia rimane per guidare la crescita o la produzione. Ma un tale percorso non esiste in natura.
“Ci vuole un po’ di creatività per scoprire i cosiddetti enzimi promiscui con molteplici funzioni”, afferma Tobias Erb. “Tuttavia, la scoperta di enzimi candidati è solo l’inizio. Stiamo parlando di reazioni su cui puoi contare perché sono così lente – in alcuni casi, meno di una reazione al secondo per enzima. Le reazioni naturali possono avvenire mille volte più velocemente.
È qui che entra in gioco la biochimica sintetica, afferma Maren Nattermann: “Se conosci la struttura e il meccanismo di un enzima, sai dove intervenire. Qui, beneficiamo in modo significativo del lavoro preliminare dei nostri colleghi nella ricerca di base.
La tecnologia ad alto rendimento accelera l’ottimizzazione degli enzimi
L’ottimizzazione degli enzimi comprendeva diversi approcci: i blocchi costitutivi sono stati scambiati in modo specifico e le mutazioni casuali sono state generate e selezionate per la capacità.
“Il formiato e la formaldeide sono entrambi meravigliosamente adatti perché penetrano nelle pareti cellulari. Possiamo mettere il formiato nel mezzo di coltura delle cellule che producono i nostri enzimi e dopo poche ore convertire la formaldeide prodotta in un colorante giallo non tossico», spiega Maren Nattermann.
Il risultato non sarebbe stato possibile in così poco tempo senza l’uso di metodi ad alto rendimento. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno collaborato con il loro partner industriale Festo, con sede a Esslingen, in Germania.
“Dopo circa 4000 varianti, abbiamo quadruplicato la produzione”, afferma Maren Nattermann. “Abbiamo così creato le basi per il modello mikrobe Escherichia coli, il cavallo di battaglia microbico della biotecnologia, per crescere su acido formico. Per ora, tuttavia, le nostre cellule possono solo produrre formaldeide, non trasformarla ulteriormente».
Con il partner di collaborazione Sebastian Wenk del Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, i ricercatori stanno attualmente sviluppando un ceppo che può assorbire gli intermedi e introdurli nel metabolismo centrale.
Parallelamente, il team sta conducendo ricerche con un gruppo di lavoro presso il Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion guidato da Walter Leitner sulla conversione elettrochimica dell’anidride carbonica in acido formico. L’obiettivo a lungo termine è una “piattaforma all-in-one” – dall’anidride carbonica attraverso un processo elettrobiochimico a prodotti come l’insulina o il biodiesel.
Fonte: MPG
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