Inoltre, sebbene le essenze di vaniglia di derivazione chimica siano disponibili a buon mercato, non corrispondono al sapore dell’estratto di vaniglia naturale, e la domanda per quest’ultimo continua a rimanere elevata. Inoltre, le restrizioni climatiche per la coltivazione delle piante di vaniglia e la resa relativamente piccola ottenuta per pianta hanno portato a una diminuzione dell'offerta e a un aumento del prezzo dell'estratto naturale di vaniglia.

Affrontando queste sfide, il professor Toshiki Furuya del Dipartimento di scienze biologiche applicate, Facoltà di scienza e tecnologia, Università delle scienze di Tokyo, e i suoi studenti laureati Shizuka Fujimaki e Satsuki Sakamoto, hanno sviluppato con successo un enzima che genera vanillina dall'acido ferulico di origine vegetale.

"L'acido ferulico, la materia prima, è un composto che può essere ottenuto in abbondanza da scarti agricoli come crusca di riso e crusca di frumento. La vanillina viene generata semplicemente mescolando l'acido ferulico con l'enzima sviluppato a temperatura ambiente. Quindi, la tecnologia consolidata può fornire un metodo semplice ed ecologico per produrre composti aromatici", spiega il prof. Furuya. Il loro studio è stato pubblicato il 10 maggio 2024 in Microbiologia applicata e ambientale .

I ricercatori hanno utilizzato approcci di ingegneria genetica per modificare la struttura molecolare di un enzima:"Ado". Ado è originariamente un enzima ossidasi che aggiunge un atomo di ossigeno al substrato:l'isoeugenolo.

Allo stato nativo non ha la capacità di convertire l'acido ferulico in vanillina. Utilizzando l'analisi di modellazione strutturale, i ricercatori sono stati in grado di prevedere i cambiamenti degli amminoacidi nell'Ado che ne consentirebbero l'interazione con l'acido ferulico.

Su queste linee, hanno condotto una serie di esperimenti sostituendo i residui di amminoacidi di fenilalanina e valina in posizioni specifiche nella struttura di Ado, con vari altri amminoacidi. Hanno poi esaminato la capacità di conversione dell'acido ferulico delle varie proteine ​​mutanti ingegnerizzate.

Dopo diversi tentativi ed errori, hanno scoperto che una proteina mutante in cui solo tre specifici residui di fenilalanina e valina venivano sostituiti con tirosina e arginina, reagiva stabilmente con l'acido ferulico e mostrava un'elevata attività di conversione. In particolare, l'enzima ingegnerizzato non richiedeva alcun cofattore per la conversione, a differenza di altre ossidasi, e produceva vanillina su una scala di grammi per litro di soluzione di reazione, con un'efficienza catalitica e un'affinità più elevate rispetto a quelle dell'enzima naturale.

La reazione richiedeva solo la miscelazione dell’enzima, dell’acido ferulico e dell’aria (ossigeno molecolare), a temperatura ambiente, rendendolo un processo semplice, sostenibile ed economicamente scalabile. Inoltre, l'enzima evoluto a livello molecolare ha mostrato anche attività di conversione verso l'acido p-cumarico e l'acido sinapico, che sono composti ottenuti dalla degradazione della lignina, un comune prodotto di scarto agricolo.

Finora, nessun enzima microbico o di origine vegetale ha mostrato la capacità di convertire l’acido ferulico in vanillina su scala industriale. Pertanto, l'enzima sviluppato nel presente studio mostra un notevole potenziale per consentire la produzione commerciale ed economicamente sostenibile di vanillina naturale.

Spiegando le implicazioni a lungo termine della loro ricerca, il Prof. Furuya afferma:"Sfruttare il potenziale di microrganismi ed enzimi per ricavare composti preziosi in condizioni blande da risorse vegetali rinnovabili, offre un approccio sostenibile per ridurre al minimo l'impronta ambientale.

"Attualmente, in collaborazione con un'azienda, i nostri sforzi di ricerca si concentrano sull'implementazione nel mondo reale della produzione di vanillina attraverso l'utilizzo dell'enzima di recente sviluppo."