L’industria chimica, che fa molto affidamento sulle risorse fossili per produrre plastica, coloranti e aromi artificiali, consuma più di un milione di tonnellate di queste risorse ogni giorno, contribuendo a circa il 5% delle emissioni globali. I ricercatori, guidati dalla professoressa Julia Vorholt, stanno lavorando per ridurre questa dipendenza sviluppando batteri sintetici in grado di convertire il “metanolo verde” (creato da CO2 e acqua utilizzando energia rinnovabile) in sostanze chimiche utili, riducendo così potenzialmente al minimo l’impronta di carbonio del settore. Credito: Sean Kilian
L’industria chimica fa affidamento principalmente su risorse fossili come il petrolio greggio per produrre una gamma di prodotti chimici, tra cui plastica, coloranti e aromi sintetici.
“A livello globale consumiamo 500 milioni di tonnellate all’anno, ovvero più di un milione di tonnellate al giorno”, spiega Julia Vorholt, professoressa all’Istituto di microbiologia dell’ETH di Zurigo. “Poiché queste conversioni chimiche richiedono molta energia, la quantità reale di CO2 L’impronta di carbonio dell’industria chimica è addirittura da sei a dieci volte maggiore, rappresentando circa il 5% delle emissioni globali totali. 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, chiamati metilotrofi. Contenente un solo carbonio atomo, il metanolo è una delle molecole organiche più semplici e può essere sintetizzato dal gas serra anidride carbonica e acqua. Se l’energia necessaria per questa reazione di sintesi proviene da fonti rinnovabili, il metanolo è detto “verde”.
“Esistono metilotrofi naturali, ma il loro utilizzo industriale rimane difficile nonostante i notevoli sforzi di ricerca”, spiega Michael Reiter, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Vorholt, che lavora invece con i batteri modello biotecnologicamente ben compresi. 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. Innanzitutto, i ricercatori hanno simulato questo cambiamento utilizzando modelli computerizzati. Sulla base di queste simulazioni, hanno scelto due geni da eliminare e tre nuovi geni da introdurre. “Di conseguenza, i batteri potrebbero assorbire il metanolo, ma solo in piccole quantità”, afferma Reiter.
Hanno continuato a far crescere i batteri in speciali condizioni di laboratorio per più di un anno finché i microbi non sono riusciti a produrre tutti i componenti cellulari dal metanolo. Nel corso di altre 1.000 generazioni circa, 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 attraenti”, afferma Vorholt.
Ottimizzazione della perdita di funzione
Come descrive il team di Vorholt nel loro articolo recentemente pubblicato, diverse mutazioni casuali sono responsabili dell’aumento dell’efficienza dell’uso 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 diventa evidente che le cellule possono risparmiare energia attraverso la perdita della funzione genetica. Ad esempio, alcune mutazioni causano il fallimento delle reazioni inverse di importanti reazioni biochimiche. “Ciò rimuove le conversioni chimiche non necessarie e ottimizza il flusso metabolico nelle cellule”, scrivono i ricercatori.
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 producono effettivamente i composti desiderati in tutti i casi.
Piattaforma di produzione versatile
Per i ricercatori questo dimostra chiaramente che i loro batteri modificati possono mantenere le promesse iniziali: i microbi costituiscono una sorta di piattaforma di produzione molto versatile in cui i moduli di biosintesi possono essere inseriti secondo il principio “plug-and-play”, stimolando i batteri per 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 economicamente sostenibile dei batteri. Vorholt e il suo team hanno recentemente ricevuto un fondo per l’innovazione “per espandere ulteriormente i loro piani in applicazioni e selezionare prodotti su cui concentrarsi per primi”, afferma Vorholt.
Quando Reiter spiega come ottimizzare la coltivazione dei batteri nei bioreattori, è entusiasta. “Date le sfide del cambiamento climatico, è chiaro che sono necessarie alternative alle risorse fossili”, afferma. “Stiamo sviluppando una tecnologia che non emetta ulteriore CO22 nell’atmosfera”, spiega 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, rendono possibile “la produzione di sostanze chimiche rinnovabili che non danneggiano l’ambiente”.
