Modello di regolazione del cellulosoma e trasportatori di zucchero in Clostridium thermocellum. Credito:Feng Yingang
Con l'aiuto della manipolazione genetica e di strumenti biofisici avanzati, un team di ricerca internazionale ha acquisito informazioni inaspettate su come un batterio assorbe gli zuccheri derivati dalle materie prime vegetali.
I loro risultati sono stati pubblicati il 7 settembre su mBio .
"L'assorbimento efficiente dello zucchero è fondamentale per le fabbriche di cellule microbiche, quindi i trasportatori di zucchero sono obiettivi importanti per l'ingegneria metabolica e lo sviluppo della biologia sintetica dei microrganismi industriali", ha affermato il prof. Cui Qiu del Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) co-autore. dell'Accademia cinese delle scienze (CAS).
Il batterio, Clostridium thermocellum, è stato a lungo uno dei principali contendenti nella produzione industriale sostenibile di biocarburanti. Sebbene il modo in cui il microrganismo industriale C. thermocellum assorbe gli zuccheri sia stato di grande interesse per molti anni e nel 2009 siano stati scoperti cinque potenziali trasportatori di zucchero, le difficoltà con la manipolazione genica in questo batterio hanno limitato la convalida funzionale.
Il Metabolomics Group di QIBEBT guidato da Cui ha sviluppato una varietà di strumenti in grado di manipolare i geni in C. thermocellum. Questi strumenti includono uno strumento di elettroporazione cellulare, una tecnica di knockout genico veloce per i batteri termofili (tecnica del termotargetron) e un preciso sistema di editing del genoma, che consente ai ricercatori di analizzare quali geni producono quali cambiamenti fisici e funzionali nei batteri, informando su come il batterio si rompe ridurre la lignocellulosa, il componente principale delle pareti cellulari delle piante, in tipi di zucchero che possono essere utilizzati per produrre etanolo.
Combinando questi approcci genetici e varie tecniche biofisiche, i ricercatori hanno identificato i trasportatori noti come B e A come trasportatori solitari di cellodestrina e glucosio, rispettivamente, tra i cinque potenziali trasportatori di zucchero in C. thermocellum. Il glucosio è una semplice molecola di zucchero, mentre la cellodestrina comprende più molecole legate. "Questi risultati sono piuttosto inaspettati perché è noto che molti microrganismi hanno una molteplicità di trasportatori di zucchero ridondanti come loro principale fonte di carbonio", ha affermato Cui.
Invece di più trasportatori per raccogliere e spostare gli zuccheri come altri microrganismi, C. thermocellum utilizza principalmente il trasportatore B per assorbire le cellodestrine derivate dalla cellulosa. Questo ceppo utilizza anche il trasportatore A per assorbire il glucosio e utilizzarlo, ma solo dopo che si è adattato adeguatamente, secondo l'autore corrispondente Prof. Feng Yingang di QIBEBT.
"Abbiamo anche identificato un gene isolato, 2554, come subunità mancante nel cluster del gene del trasportatore B", ha detto Feng, osservando che la scoperta spiega come il meccanismo del trasportatore B potrebbe aiutare a utilizzare la biomassa lignocellulosica. "Inoltre, abbiamo dimostrato che il trasportatore B si accoppia con la regolazione dell'espressione dei cellulosomi, i complessi proteici responsabili della produzione di zuccheri degradando le pareti cellulari delle piante".
Questa scoperta estende la ricerca precedente nel campo suggerendo che l'espressione del cellulosoma è regolata da un gruppo di fattori sigma/anti-sigma con attività di rilevamento del substrato e trascrizione, mentre è anche accoppiata con il trasporto dello zucchero. Eppure i ricercatori non hanno delucidato completamente il meccanismo alla base di questo accoppiamento trasportatore dello zucchero-cellulosoma e la scoperta della sua esistenza rafforza ulteriormente il potenziale valore applicativo di C. thermocellum nella bioconversione della lignocellulosa.
"Sebbene i benefici fisiologici ed evolutivi dei trasportatori restrittivi siano ancora sconosciuti, questi risultati suggeriscono che l'ingegneria dei trasportatori di zucchero in C. thermocellum potrebbe essere più facile che nelle specie con più trasportatori ridondanti", ha affermato Cui.
I ricercatori hanno affermato che intendono continuare a lavorare per comprendere i meccanismi molecolari chiave del batterio, che utilizzeranno per informare lo sviluppo delle tecnologie di bioenergia e biologia sintetica. + Esplora ulteriormente
