I tilacoidi vegetali sono incapsulati in microgoccioline di circa 90 micrometri di diametro. Dotato di un set di enzimi, i cloroplasti semisintetici fissano l'anidride carbonica utilizzando l'energia solare, seguendo l'esempio della natura. Credito:Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre/Erb
Nel corso di miliardi di anni, i microrganismi e le piante hanno sviluppato il notevole processo che conosciamo come fotosintesi. La fotosintesi converte l'energia solare in energia chimica, fornendo così a tutta la vita sulla Terra cibo e ossigeno. I compartimenti cellulari che ospitano le macchine molecolari, i cloroplasti, sono probabilmente i motori naturali più importanti sulla terra. Molti scienziati considerano la ricostruzione e il controllo artificiali del processo fotosintetico il "progetto Apollo del nostro tempo". Significherebbe la capacità di produrre energia pulita, carburante pulito, composti di carbonio puliti come antibiotici, e altri prodotti semplicemente da luce e anidride carbonica.
Ma come costruirsi una vita, cellula fotosintetica da zero? La chiave per imitare i processi di una cellula vivente è far sì che i suoi componenti lavorino insieme al momento e nel luogo giusti. Alla Società Max Planck, questo ambizioso obiettivo viene perseguito in un'iniziativa interdisciplinare multi-lab, la rete MaxSynBio. Ora il team di ricerca di Marburg guidato dal direttore Tobias Erb è riuscito a creare con successo una piattaforma per la costruzione automatizzata di compartimenti fotosinteticamente attivi delle dimensioni di una cellula, "cloroplasti artificiali, " che sono in grado di catturare e convertire l'anidride carbonica gas serra con la luce.
La microfluidica incontra la biologia sintetica
I ricercatori di Max Planck si sono avvalsi di due recenti sviluppi tecnologici:la prima biologia sintetica per la progettazione e la costruzione di nuovi sistemi biologici, come le reti di reazione per la cattura e la conversione dell'anidride carbonica, e seconda microfluidica, per l'assemblaggio di materiali morbidi, come goccioline delle dimensioni di una cellula.
"Prima avevamo bisogno di un modulo energetico che ci consentisse di alimentare le reazioni chimiche in modo sostenibile. Nella fotosintesi, le membrane dei cloroplasti forniscono l'energia per la fissazione dell'anidride carbonica, e abbiamo pensato di sfruttare questa capacità", Tobias Erb spiega.
Produzione di microgoccioline e osservazione in tempo reale su piattaforma microfluidica. Le microgoccioline vengono raccolte in una camera dove la loro attività può essere monitorata microscopicamente in tempo reale, compresa la quantificazione dell'attività enzimatica misurando la fluorescenza del NADPH. Utilizzando il campo luminoso vengono localizzate le goccioline e si possono vedere le membrane fotosinteticamente attive. Queste membrane sono fluorescenti quando eccitate. Le popolazioni di goccioline vengono distinte utilizzando un colorante codificante, che è osservabile quando le goccioline sono eccitate da una specifica lunghezza d'onda (550 nm). La produzione di NADPH delle goccioline viene osservata utilizzando la fluorescenza NADPH (usando, 365nm). Credito:Istituto Planck per la microbiologia terrestre/Erb
L'apparato di fotosintesi isolato dalla pianta degli spinaci si è rivelato sufficientemente robusto da poter essere utilizzato per guidare singole reazioni e reti di reazione più complesse con la luce. Per la reazione oscura, i ricercatori hanno utilizzato il proprio modulo metabolico artificiale, il ciclo CETCH. Consiste di 18 biocatalizzatori che convertono l'anidride carbonica in modo più efficiente rispetto al metabolismo del carbonio che avviene naturalmente nelle piante. Dopo diversi round di ottimizzazione, il team è riuscito nella fissazione controllata dalla luce del gas serra CO 2 in vitro.
La seconda sfida è stata l'assemblaggio del sistema all'interno di un compartimento definito su una microscala. In vista di future applicazioni, dovrebbe anche essere facile automatizzare la produzione. In collaborazione con il laboratorio di Jean-Christophe Baret presso il Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) in Francia, i ricercatori hanno sviluppato una piattaforma per incapsulare le membrane semisintetiche in goccioline simili a cellule.
Più efficiente della fotosintesi della natura
La piattaforma microfluidica risultante è in grado di produrre migliaia di goccioline standardizzate che possono essere equipaggiate individualmente in base alle capacità metaboliche desiderate. "Possiamo produrre migliaia di goccioline equipaggiate in modo identico o possiamo conferire proprietà specifiche a singole goccioline, " ha detto Tarryn Miller, autore principale dello studio. "Questi possono essere controllati nel tempo e nello spazio dalla luce."
A differenza della tradizionale ingegneria genetica sugli organismi viventi, l'approccio bottom-up offre vantaggi decisivi:punta su un design minimale, e non è necessariamente vincolato ai limiti della biologia naturale. "La piattaforma ci consente di realizzare nuove soluzioni che la natura non ha esplorato durante l'evoluzione, " spiega Tobias Erb. Secondo lui, i risultati hanno un grande potenziale per il futuro. Nella loro pubblicazione sulla rivista Scienza , gli autori sono stati in grado di dimostrare che dotare il "cloroplasto artificiale" di nuovi enzimi e reazioni ha portato a un tasso di legame per l'anidride carbonica che è 100 volte più veloce rispetto ai precedenti approcci sintetici-biologici. "A lungo termine, sistemi simili a vita potrebbero essere applicati praticamente a tutte le aree tecnologiche, compresa la scienza dei materiali, biotecnologia e medicina:siamo solo all'inizio di questo entusiasmante sviluppo". i risultati sono un altro passo verso il superamento di una delle più grandi sfide del futuro:le concentrazioni sempre crescenti di anidride carbonica atmosferica.
