Figura 1:Il percorso per convertire l'anidride carbonica in D-lattato. Synechocystis sp. PCC 6803 produce glicogeno all'interno delle sue cellule da CO2 e luce. È stato rivelato che quando Synechocystis sp. PCC 6803 che ha accumulato glicogeno viene posto in condizioni anossiche di oscurità, questo attiva la via metabolica (indicata dalle frecce rosse) che favorisce la produzione di D-lattone. Credito:Università di Kobe
Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Kobe ha illuminato il meccanismo con cui i cianobatteri (Synechocystis sp. PCC 6803) producono D-lattato, mostrando che l'enzima malico facilita questa produzione. Successivamente, sono riusciti a produrre il tasso più alto al mondo (26,6 g/L) di D-lattato direttamente da CO 2 e luce modificando il percorso di sintesi del D-lattato mediante l'ingegneria genetica.
Si prevede che questo successo contribuirà allo sviluppo di importanti tecnologie di processo per la produzione di acido polilattico, che viene utilizzato per la produzione di plastica biodegradabile. Questo potrebbe aiutare a rendere il concetto di un sostenibile, società a basse emissioni di carbonio una realtà.
Il gruppo di ricerca era composto dal professor HASUNUMA Tomohisa (del Centro di ricerca sulla biologia ingegneristica dell'Università di Kobe), Professore associato del progetto HIDESE Ryota (della Graduate School of Science dell'Università di Kobe, Tecnologia e Innovazione) e Professore Associato OSANAI Takashi (della Scuola di Agraria dell'Università di Meiji).
I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati online sulla rivista scientifica internazionale Biologia sintetica ACS il 31 gennaio, 2020.
L'utilizzo della bioproduzione per sintetizzare composti chimici versatili e materie prime funzionali che di solito derivano dal petrolio è vitale sia per l'ambiente che per la sostenibilità delle risorse. Negli ultimi anni, i metodi di bioproduzione che utilizzano microbi hanno attirato l'attenzione. Tra questi microbi ci sono le microalghe. È possibile produrre varie sostanze utili come oli e pigmenti da microalghe utilizzando luce solare e CO 2 .
I cianobatteri sono un tipo di microalghe a crescita rapida che è facile da modificare geneticamente. I cianobatteri sono stati usati per produrre D-lattato prima, tuttavia la bassa resa è stata un ostacolo che impedisce l'applicazione pratica di questi metodi.
I cianobatteri trasformano la CO 2 nel glicogeno dello zucchero attraverso la fotosintesi. Se i cianobatteri che hanno accumulato glicogeno all'interno delle sue cellule vengono poi posti in un ambiente buio senza ossigeno, il glicogeno viene metabolizzato dai cianobatteri e secerne acidi organici (come succinico e lattico) nel terreno di coltura.
Per sintetizzare il D-lattato dai cianobatteri, ci deve essere un aumento della produzione di piruvato. Questo gruppo di ricerca ha scoperto che l'enzima malico, che converte l'acido malico in piruvato, è vitale per la produzione di D-lattato. Hanno usato la metabolomica dinamica per illuminare il meccanismo alla base della produzione di D-lattato. Attraverso questa analisi, hanno scoperto che quando viene prodotto un eccesso di enzima malico all'interno delle cellule, non solo l'acido malico viene convertito in piruvato, ma viene attivata anche la via per produrre piruvato dal glicogeno (Figura 1). Il D-lattato viene biosintetizzato dal piruvato dalla D-lattato deidrogenasi. Il gruppo di ricerca è riuscito a produrre 26,6 g/L di D-lattato con un tasso di conversione del 94,3% dal glicogeno accumulato mediante l'ingegneria genetica della D-lattato deidrogenasi per ottimizzarne la funzione (Figura 2).
Questa ricerca rappresenta un importante passo avanti verso lo sviluppo di un processo industriale per produrre D-lattato da CO 2 . Il gruppo mira a continuare a incrementare la produzione di D-lattato attraverso l'ottimizzazione del percorso metabolico e l'analisi delle condizioni di coltivazione.
C'è un grande mercato per il D-lattato, che può essere utilizzato come materia prima nella produzione di PLA stereocomplesso che è una plastica biodegradabile. D'altra parte, elevata purezza e produttività sono necessarie per rendere possibile la sintesi biologica di D-lattato utilizzando microbi. Esistono metodologie di bioproduzione che utilizzano microbi eterotrofi come E. coli, tuttavia questi utilizzano lo zucchero (glucosio) del mais o della canna da zucchero come fonte di energia per la produzione. Ciò significa che coltivare queste piante per la bioproduzione causa una moltitudine di problemi, come la competizione con le fonti di cibo, uso dei seminativi e delle risorse di acqua dolce, e contributo alla distruzione ambientale (ad esempio, deforestazione).
cianobatteri, d'altra parte, è un microbo ideale per produrre sostanze utili, poiché può convertire CO 2 fissato tramite fotosintesi in vari composti bersaglio. Inoltre, i cianobatteri hanno una capacità fotosintetizzante molto più elevata rispetto alle piante, il che significa che può anche essere coltivato sotto una forte luce. Non necessita di terreno e molte varietà possono essere coltivate in acqua di mare. Pertanto si spera che i cianobatteri possano fornire la base definitiva per la bioproduzione poiché richiedono solo la luce solare, CO 2 e acqua di mare.
Figura 2:tasso di produzione di D-lattone di cianobatteri geneticamente modificati. In condizioni di oscurità anossica, la densità cellulare della soluzione di cianobatteri fermentati è aumentata. Ciò ha portato alla produzione di successo di 26,6 g/L di D-lattato, il tasso più alto del mondo utilizzando un microrganismo autotrofi. Credito:Università di Kobe
È ampiamente noto che i cianobatteri potrebbero fornire un modo per sintetizzare D-lattato, e sono stati fatti tentativi per aumentare la produzione di D-lattato utilizzando la modificazione genetica. Però, quasi tutti i sistemi che producono D-lattato sono collegati alla propagazione tramite fotosintesi, quindi vengono sintetizzate quantità ridotte di questa sostanza bersaglio. La ragione di ciò è che il meccanismo per la produzione di D-lattato nei cianobatteri non è stato ben compreso.
Le tecniche di analisi del metaboloma consentono ai ricercatori di identificare e calcolare la moltitudine di composti trovati all'interno delle cellule. Questo gruppo di ricerca ha sviluppato la "Metabolomica dinamica" che ha permesso loro di osservare la quantità di sostanze metabolizzate nel tempo.
La Synechocystis sp. I cianobatteri PCC 6803 utilizzati in questo studio sono uno dei cianobatteri più comunemente studiati in tutto il mondo. È un organismo modello per la produzione di fotosinteti perché è facile da modificare geneticamente e cresce rapidamente. Precedenti ricerche condotte da questo gruppo utilizzando la metabolomica dinamica hanno mostrato che l'acido succinico è prodotto principalmente attraverso l'acido malico in Synechocystis sp. PCC 6803. L'attuale studio si è concentrato sull'enzima malico, che converte l'acido malico in piruvato. Primo, miravano a chiarire gli effetti dell'enzima malico sul metabolismo di Synechocystis sp. PCC 6803 attraverso la metabolomica dinamica. Il loro obiettivo successivo era aumentare la produzione di D-lattato utilizzando l'ingegneria metabolica.
Metodologia di ricerca
Sono stati creati due tipi di cellule per studiare in modo completo il meccanismo alla base della produzione di D-lattato:1. Cellule prive di funzione dell'enzima malico e 2. Cellule in cui questa funzione è stata ottimizzata, portando a una sovraespressione dell'enzima malico.
La metabolomica dinamica è stata utilizzata per analizzare la differenza nel metabolismo tra queste due cellule. È stato scoperto che dal glicogeno veniva prodotto più piruvato quando il livello di acido malico nelle cellule era basso (Figura 1).
Il gruppo di ricerca ha ulteriormente modificato le cellule ottimizzate dell'enzima malico geneticamente per sovraesprimere la D-lattato deidrogenasi, e potenziato la funzione della D-lattato deidrogenasi di produrre D-lattato dal piruvato. Inoltre, il gruppo ha ingegnerizzato geneticamente le cellule per rimuovere l'enzima acetato chinasi al fine di sopprimere la produzione di acidi sottoprodotti.
Il Synechocystis sp. PCC 6803 è stato poi coltivato in ambiente anossico scuro (condizioni di fermentazione). In queste condizioni, le cellule hanno raggiunto la densità ottimale. Questo gruppo di ricerca ha superato di gran lunga la resa più alta al mondo di D-lattato (10,7 g/L), producendo 26,6 g/L ad una velocità di 0,185 g/L/h (Figura 2). Si pensa che questa scoperta possa contribuire a un processo a basso costo per produrre alti livelli di D-lattato.
Ulteriore ricerca
I cianobatteri possono essere utilizzati per produrre molti composti chimici versatili e materie prime funzionali, tuttavia questa tecnologia non è ancora abbastanza sviluppata per essere implementata su scala industriale. Il grosso problema è che i livelli più bassi del composto target vengono prodotti utilizzando cianobatteri, rispetto alle quantità prodotte quando si utilizzano microrganismi eterotrofi. La ricerca attuale ha dimostrato che l'analisi metabolomica dinamica è altamente efficace per valutare la funzione di Synechocystis. Sulla base del risultato della metabolomica dinamica, questo gruppo ha permesso ai Synechocystis di esprimere il loro pieno potenziale modificando geneticamente il loro metabolismo.
Si spera che l'aumento della produttività fotosintetica dei cianobatteri attraverso la metabolomica dinamica e l'ingegneria metabolica possa contribuire alla realizzazione di un società a basse emissioni di carbonio.
