I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno ingegnerizzato i batteri in laboratorio per utilizzare in modo efficiente il metanolo. Il metabolismo di questi batteri può ora essere sfruttato per produrre prodotti preziosi attualmente realizzati dall'industria chimica a partire da combustibili fossili.
Per produrre vari prodotti chimici come plastica, coloranti o aromi artificiali, l’industria chimica attualmente fa molto affidamento su risorse fossili come il petrolio greggio. "A livello globale, se ne consumano 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 queste conversioni chimiche sono ad alta intensità energetica, la vera CO2 L'impronta ecologica dell'industria chimica è addirittura da 6 a 10 volte maggiore, pari a circa il 5% delle emissioni totali a livello globale." Lei e il suo team sono alla ricerca di modi per ridurre la dipendenza dell'industria chimica dai combustibili fossili.
Al centro di questi sforzi ci sono i batteri che si nutrono di metanolo, noti come metilotrofi. Contiene un solo atomo di carbonio, il metanolo è una delle molecole organiche più semplici e può essere sintetizzato dal gas serra anidride carbonica e acqua. Se l'energia per questa reazione di sintesi proviene da fonti rinnovabili, il metanolo viene definito "verde".
"Esistono metilotrofi naturali, ma il loro utilizzo industriale rimane difficile nonostante i notevoli sforzi di ricerca", afferma Michael Reiter, ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Vorholt, che lavora invece con il batterio modello biotecnologicamente ben compreso Escherichia coli. Il team di Vorholt persegue da diversi anni l'idea di dotare il batterio modello, che cresce sullo zucchero, della capacità di metabolizzare il metanolo.
"Si tratta di una sfida importante perché richiede una ristrutturazione completa del metabolismo cellulare", afferma Vorholt. Inizialmente, i ricercatori hanno simulato questo cambiamento utilizzando modelli computerizzati. Sulla base di queste simulazioni, hanno scelto due geni da rimuovere e tre nuovi geni da introdurre. "Di conseguenza, i batteri potrebbero assorbire metanolo, anche se solo in piccole quantità", afferma Reiter.
Hanno continuato a far crescere i batteri in condizioni speciali in laboratorio per più di un anno finché i microbi non sono riusciti a produrre tutti i componenti cellulari dal metanolo. Nel corso di circa altre 1.000 generazioni, questi metilotrofi sintetici sono diventati sempre più efficienti, fino a raddoppiare ogni quattro ore se alimentati solo con metanolo. "Il tasso di crescita migliorato rende i batteri economicamente interessanti", afferma Vorholt.
Come descrive il team di Vorholt nel loro Nature Catalysis articolo, diverse mutazioni che si verificano casualmente sono responsabili della maggiore efficienza dell'utilizzo 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 risulta evidente che le cellule possono risparmiare energia grazie alla perdita di funzione dei geni. Ad esempio, alcune mutazioni causano il fallimento delle reazioni inverse di importanti reazioni biochimiche. "Ciò abolisce le conversioni chimiche superflue 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 hanno effettivamente prodotto i composti desiderati in tutti i casi.
Per i ricercatori, questa è una prova evidente che i loro batteri ingegnerizzati possono mantenere ciò che era stato originariamente promesso: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", suggerendo 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 piani verso le applicazioni e selezionare i prodotti su cui concentrarsi per primi", afferma Vorholt.
Quando Reiter parla di come ottimizzare la coltivazione dei batteri nei bioreattori, è pieno di entusiasmo. "Considerate le sfide poste dal cambiamento climatico, è chiaro che sono necessarie alternative alle risorse fossili", afferma.
"Stiamo sviluppando una tecnologia che non emette ulteriore CO2 nell'atmosfera", afferma Reiter. E poiché i metilotrofi sintetici, oltre al metanolo verde, non richiedono ulteriori fonti di carbonio per la loro crescita e i loro prodotti, consentono "la produzione di sostanze chimiche rinnovabili che non gravano sull'ambiente".>
Ulteriori informazioni: Michael A. Reiter et al, Un Escherichia coli metilotrofico sintetico come telaio per la bioproduzione da metanolo, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01137-0
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito da ETH Zurigo
