Le grandi sfide globali del nostro tempo, compreso il cambiamento climatico, sicurezza energetica e scarsità di risorse naturali, promuovere una transizione dall'economia lineare basata sui fossili all'economia circolare sostenibile basata sulla bio. Fare questo passo richiede un ulteriore sviluppo delle tecnologie emergenti per la produzione di combustibili e prodotti chimici rinnovabili.

Microrganismi fotosintetici, come cianobatteri e alghe, mostrano un grande potenziale per soddisfare la nostra domanda di prodotti chimici rinnovabili e ridurre la dipendenza globale dai combustibili fossili. Questi microrganismi hanno la capacità di utilizzare l'energia solare per convertire la CO ₂ nella biomassa e in una varietà di diversi composti organici ricchi di energia. I cianobatteri sono anche in grado di sostenere nuovi percorsi di produzione sintetica che consentono loro di funzionare come fabbriche di cellule viventi per la produzione di sostanze chimiche e combustibili mirati.

L'etilene è uno dei prodotti chimici organici più importanti con una domanda globale annua di oltre 150 milioni di tonnellate. È l'elemento principale nella produzione di materie plastiche, fibre e altri materiali organici.

"Nella nostra ricerca, abbiamo impiegato il cianobatterio geneticamente modificato Synechocystis sp. PCC 6803 che esprime l'enzima formante etilene (EFE) acquisito dal fitopatogeno, Pseudomonas syringae. La presenza di EFE nelle celle cianobatteriche consente loro di produrre etilene utilizzando energia solare e CO ₂ dall'aria, ", afferma il professore associato Allahverdiyeva-Rinne.

L'etilene ha un'elevata densità di energia che lo rende una fonte di carburante attraente. Attualmente, l'etilene viene prodotto tramite steam cracking di materie prime di idrocarburi fossili che portano a un'enorme emissione di CO ₂ nell'ambiente. Perciò, è importante sviluppare approcci ecologici per la sintesi dell'etilene.

"Sebbene siano stati riportati risultati molto promettenti sui cianobatteri ricombinanti che producono etilene, l'efficienza complessiva dei sistemi di fotoproduzione disponibili è ancora molto bassa per le applicazioni industriali. La produttività dell'etilene dei cianobatteri ingegnerizzati è la variabile più critica per ridurre i costi e migliorare l'efficienza, ", afferma il ricercatore post-dottorato Sindhujaa Vajravel.

Però, i cianobatteri hanno diversi limiti per una produzione efficiente, poiché accumulano principalmente biomassa, non i prodotti desiderati.

"Possiedono una gigantesca antenna fotosintetica per la raccolta della luce che porta all'ombreggiamento automatico e a una distribuzione della luce limitata nelle colture in sospensione, che diminuisce la produttività. Il limite maggiore è che il periodo di produzione delle celle è breve, solo pochi giorni, " spiega Allahverdiyeva-Rinne.

Per risolvere questi due problemi, i ricercatori hanno intrappolato cellule cianobatteriche produttrici di etilene all'interno di una matrice polimerica di alginato a strato sottile. Questo approccio limita fortemente la crescita cellulare, coinvolgendo così un flusso efficiente di metaboliti fotosintetici per la biosintesi dell'etilene. Migliora anche l'utilizzo della luce in condizioni di scarsa illuminazione e promuove fortemente l'idoneità delle cellule. Di conseguenza, i biofilm artificiali hanno ottenuto una fotoproduzione sostenibile di etilene fino a 40 giorni con un'efficienza di conversione da luce a etilene che è 3,5 volte superiore rispetto alle colture in sospensione convenzionali.

Questi risultati aprono nuove possibilità per l'ulteriore sviluppo di efficienti fabbriche di cellule fotosintetiche allo stato solido per la produzione di etilene e per l'ampliamento del processo a livello industriale.