I ricercatori della TU Graz e della Ruhr University Bochum mostrano sulla rivista Catalisi ACS come l'attività catalitica dei cianobatteri, dette anche alghe azzurre, può essere notevolmente aumentato. Questo porta l'applicazione biotecnologica e quindi ecologica a un grande passo avanti.

cianobatteri, nonostante la colorazione verde acqua attraverso i loro pigmenti speciali, sono colloquialmente noti come "alghe blu-verdi, " e convertono l'energia luminosa in energia chimica in modo particolarmente efficace grazie alle loro cellule fotosintetiche altamente attive. Ciò le rende attraenti per l'applicazione biotecnologica, dove potrebbero essere utilizzati come biocatalizzatori ecologici e facilmente disponibili per la produzione di nuove sostanze chimiche utilizzando enzimi appositamente introdotti.

Disponibilità di luce limitata

Ciò che suona bene in teoria, sta ancora incontrando ostacoli nella pratica implementazione tecnologica su larga scala. Un fattore limitante decisivo è attualmente la disponibilità di luce, come spiega Robert Kourist dell'Institute of Molecular Biotechnology dell'Università di tecnologia di Graz:"Quando i cianobatteri sono densamente coltivati, cioè in alte concentrazioni, solo le celle situate all'esterno ricevono abbastanza luce. Dentro è piuttosto buio. Ciò significa che la quantità di catalizzatore non può essere aumentata a piacimento. Dopo una densità cellulare di pochi grammi per litro, l'attività fotosintetica e quindi la produttività delle cellule diminuisce drasticamente. Questo è ovviamente un notevole svantaggio per la produzione biotecnologica su larga scala". biocatalizzatori precedentemente stabiliti come i lieviti possono essere utilizzati con densità cellulari di 50 grammi per litro e oltre. Gli organismi di produzione stabiliti hanno il principale svantaggio di dipendere dai prodotti agricoli come base per la crescita e quindi consumano molte risorse. "I catalizzatori a base di alghe possono essere coltivati ​​da acqua e CO ₂ , quindi sono "verdi" in un duplice senso. Per questa ragione, sono in corso intensi sforzi per aumentare le prestazioni catalitiche dei cianobatteri, ", ha detto Kurist.

Fare un uso migliore della luce disponibile

Insieme all'Università della Ruhr di Bochum e all'Università finlandese di Turku, il gruppo di lavoro sulle alghe della TU Graz è ora riuscito ad aumentare proprio questa prestazione catalitica reindirizzando in modo specifico il flusso di elettroni fotosintetici alla funzione catalitica desiderata. "Per la prima volta, siamo stati in grado di misurare l'apporto di energia fotosintetica direttamente nelle cellule in maniera risolta nel tempo in modo da poter identificare i colli di bottiglia nel metabolismo, " spiega Marc Nowaczyk della cattedra di biochimica vegetale presso l'Università della Ruhr di Bochum. "Abbiamo spento un sistema nel genoma del cianobatterio che dovrebbe proteggere la cellula dalla fluttuazione della luce. Questo sistema non è necessario in condizioni di coltivazione controllate, ma consuma energia fotosintetica. Energia che preferiamo mettere nella reazione target, " spiega Hanna Büchsenschütz, dottorando alla TU Graz e primo autore dello studio. In questo modo, si può risolvere il problema della bassa produttività dei cianobatteri dovuta alle elevate densità cellulari. "Per dirla in un altro modo, possiamo usare solo una certa quantità di celle. Ecco perché dobbiamo far andare più veloci le cellule. Abbiamo sviluppato un metodo che utilizza la cosiddetta ingegneria metabolica che rende i cianobatteri molto più maturi per l'applicazione biotecnologica, ", ha detto Kurist.

Oltre ad aumentare la produttività della cellula stessa attraverso interventi mirati a livello genico, i ricercatori di Graz stanno anche lavorando a nuovi concetti per il processo di coltivazione delle alghe. Un approccio consiste nell'introdurre sorgenti luminose direttamente nella sospensione cellulare, ad esempio tramite mini LED. Si sperimentano anche nuove geometrie. Così, cianobatteri sotto forma di piccole sfere incapsulate, le cosiddette "perline, " può assorbire più luce in generale. Robert Kourist commenta:"È molto importante sviluppare tutte le misure sulla strada per l'applicazione industriale su larga scala di biocatalizzatori a base di alghe in modo integrato. Questo è possibile solo con la ricerca interdisciplinare che esamina la funzione di un enzima nello stesso modo in cui guardiamo all'ingegneria nella cellula fotosintetica".