Batteri per prodotti chimici del futuro a impatto zero sul clima

L'industria chimica si basa attualmente su materie prime fossili come il petrolio greggio per produrre vari prodotti chimici come plastiche, coloranti e aromi artificiali. "A livello mondiale, consuma 500 milioni di tonnellate all'anno, ovvero più di un milione di tonnellate al giorno", afferma Julia Vorholt, professoressa presso l'Istituto di microbiologia dell'ETH di Zurigo. "Poiché le conversioni chimiche sono ad alta intensità energetica, le emissioni di CO₂-L'impronta di carbonio dell'industria chimica è addirittura da sei a dieci volte più grande: ammonta a circa il cinque percento delle emissioni globali totali".

Metanolo verde

L'attenzione si concentra sui batteri che si nutrono di metanolo, o metilotrofi in gergo tecnico. Il metanolo ha un solo atomo di carbonio ed è quindi una delle molecole organiche più semplici. Può essere prodotto a partire dal gas serra anidride carbonica e dall'acqua. Se l'energia per questa reazione di sintesi proviene da fonti rinnovabili, il metanolo viene etichettato come verde.

"Esistono metilotrofi naturali, ma il loro utilizzo a livello industriale rimane difficile nonostante i numerosi sforzi di ricerca", afferma Michael Reiter, ricercatore post-dottorando nel gruppo di ricerca di Vorholt, che sta invece lavorando con il batterio modello Escherichia coli funziona. Il team di Vorholt ha perseguito per diversi anni l'idea di dotare il batterio modello che cresce sullo zucchero della capacità di utilizzare biochimicamente il metanolo.

Ristrutturazione completa del metabolismo

"Si tratta di una sfida importante, perché richiede una completa ristrutturazione del metabolismo", afferma Vorholt. I ricercatori hanno prima simulato questo cambiamento utilizzando modelli al computer. Poi hanno rimosso in modo specifico due geni e ne hanno introdotti altri tre al loro posto. "Questo ha permesso ai batteri di assumere il metanolo, anche se in piccole quantità", spiega Reiter.

I ricercatori hanno poi continuato a coltivare i batteri per più di un anno in condizioni speciali in laboratorio, fino a quando la conversione ha avuto successo e i microbi sono stati in grado di produrre tutti i componenti cellulari dal metanolo. Nel corso di circa 1000 ulteriori generazioni, questi cosiddetti metilotrofi sintetici sono diventati sempre più efficienti, tanto da raddoppiare le loro dimensioni ogni quattro ore se alimentati esclusivamente con metanolo. "Il miglioramento del tasso di crescita rende i batteri interessanti dal punto di vista commerciale", spiega Vorholt.

Ottimizzazione attraverso la perdita di funzione

Come spiega il team di Vorholt nella recente pubblicazione pagina esternaArticolo specialistico Come spiega Vorholt, diverse mutazioni casuali sono responsabili della maggiore efficienza di utilizzo del metanolo. La maggior parte di queste mutazioni ha portato alla perdita di funzione di vari geni. A prima vista è sorprendente, ma un'analisi più attenta rivela che le cellule possono risparmiare energia grazie alla perdita di funzione dei geni. Per esempio, alcune mutazioni causano l'annullamento delle reazioni inverse di importanti reazioni biochimiche. "Questo evita cicli superflui e ottimizza i flussi metabolici nelle cellule", scrivono i ricercatori.

Al fine di 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 diverse vie biosintetiche. Nel loro studio hanno ora dimostrato che i batteri hanno effettivamente prodotto i composti desiderati in tutti i casi.

Piattaforma di produzione versatile

Per i ricercatori, questa è una chiara prova che i loro batteri altamente coltivati soddisfano le aspettative iniziali: 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", facendo sì che i batteri convertano il metanolo in qualsiasi sostanza biochimica.

Tuttavia, i ricercatori devono ancora aumentare in modo significativo la resa e la produttività per poter utilizzare i batteri in modo economicamente conveniente. Vorholt e il suo team hanno recentemente ricevuto un finanziamento per l'innovazione "per sviluppare ulteriormente i piani di applicazione e per capire su quali prodotti ci concentreremo per primi", afferma Vorholt.

Quando Reiter parla di come ottimizzare la coltivazione dei batteri nei bioreattori, sprizza energia da tutti i pori. "In vista del riscaldamento globale, è chiaro che sono necessarie alternative ai combustibili fossili", sottolinea. "Stiamo sviluppando una tecnologia che non produce emissioni aggiuntive di CO₂ nell'atmosfera", afferma Reiter. E poiché i metilotrofi sintetici non richiedono altre fonti di carbonio oltre al metanolo verde per la loro crescita e i loro prodotti, essi consentono di produrre "sostanze chimiche rinnovabili che non inquinano l'ambiente".