Incrementare la produzione di biocarburanti come l'etanolo potrebbe essere un passo importante verso la riduzione del consumo globale di combustibili fossili. Però, la produzione di etanolo è limitata in gran parte dalla sua dipendenza dal mais, che non viene coltivato in quantità sufficienti per coprire una parte significativa del fabbisogno di carburante degli Stati Uniti.

Per cercare di espandere il potenziale impatto dei biocarburanti, un team di ingegneri del MIT ha ora trovato un modo per espandere l'uso di una gamma più ampia di materie prime non alimentari per produrre tali combustibili. Al momento, materie prime come paglia e piante legnose sono difficili da utilizzare per la produzione di biocarburanti perché devono prima essere scomposte in zuccheri fermentescibili, un processo che rilascia numerosi sottoprodotti tossici per il lievito, i microbi più comunemente usati per produrre biocarburanti.

I ricercatori del MIT hanno sviluppato un modo per aggirare quella tossicità, rendendo possibile l'utilizzo di tali fonti, che sono molto più abbondanti, per produrre biocarburanti. Hanno anche dimostrato che questa tolleranza può essere ingegnerizzata in ceppi di lievito usati per produrre altre sostanze chimiche, potenzialmente rendendo possibile l'utilizzo di materiale vegetale legnoso "cellulosico" come fonte per produrre biodiesel o bioplastiche.

"Quello che vogliamo veramente fare è aprire le materie prime di cellulosa a quasi tutti i prodotti e sfruttare la pura abbondanza che offre la cellulosa, "dice Felix Lam, un ricercatore associato del MIT e l'autore principale del nuovo studio.

Gregorio Stephanopoulos, il professore di ingegneria chimica Willard Henry Dow, e Gerald Fink, il Margaret and Herman Sokol Professor presso il Whitehead Institute of Biomedical Research e l'American Cancer Society Professor of Genetics nel Dipartimento di Biologia del MIT, sono gli autori senior del documento, che appare oggi in Progressi scientifici .

Aumentare la tolleranza

Attualmente, circa il 40 percento del raccolto di mais degli Stati Uniti va in etanolo. Il mais è principalmente una coltura alimentare che richiede molta acqua e fertilizzante, quindi il materiale vegetale noto come biomassa cellulosica è considerato un attraente, fonte non competitiva di combustibili e prodotti chimici rinnovabili. Questa biomassa, che comprende molti tipi di paglia, e parti della pianta di mais che di solito rimangono inutilizzate, potrebbe ammontare a più di 1 miliardo di tonnellate di materiale all'anno, secondo uno studio del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, abbastanza da sostituire dal 30 al 50 percento del petrolio utilizzato per i trasporti.

Però, due principali ostacoli all'utilizzo della biomassa cellulosica sono che la cellulosa deve prima essere liberata dalla lignina legnosa, e la cellulosa deve quindi essere ulteriormente scomposta in zuccheri semplici che il lievito può utilizzare. Il pretrattamento particolarmente aggressivo necessario genera composti chiamati aldeidi, che sono molto reattivi e possono uccidere le cellule di lievito.

Per superare questo, il team del MIT si è basato su una tecnica sviluppata diversi anni fa per migliorare la tolleranza delle cellule di lievito a un'ampia gamma di alcoli, che sono anche tossici per il lievito in grandi quantità. In quello studio, hanno dimostrato che l'aggiunta di composti specifici al bioreattore che rafforzano la membrana del lievito ha aiutato il lievito a sopravvivere molto più a lungo in alte concentrazioni di etanolo. Utilizzando questo approccio, sono stati in grado di migliorare di circa l'80% la tradizionale resa in etanolo da combustibile di un ceppo di lievito ad alte prestazioni.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno ingegnerizzato il lievito in modo da poter convertire le aldeidi del sottoprodotto cellulosico in alcoli, permettendo loro di sfruttare la strategia di tolleranza all'alcol che avevano già sviluppato. Hanno testato diversi enzimi naturali che eseguono questa reazione, da diverse specie di lievito, e identificato quello che ha funzionato meglio. Quindi, hanno usato l'evoluzione diretta per migliorarla ulteriormente.

"Questo enzima converte le aldeidi in alcoli, e abbiamo dimostrato che il lievito può essere reso molto più tollerante agli alcoli come classe di quanto non lo sia alle aldeidi, utilizzando gli altri metodi che abbiamo sviluppato, "Dice Stephanopoulos.

I lieviti generalmente non sono molto efficienti nel produrre etanolo da materie prime cellulosiche tossiche; però, quando i ricercatori hanno espresso questo enzima ad alte prestazioni e hanno aggiunto al reattore gli additivi che rafforzano la membrana, il ceppo ha più che triplicato la sua produzione di etanolo cellulosico, a livelli corrispondenti al tradizionale etanolo da mais.

Materie prime abbondanti

I ricercatori hanno dimostrato di poter ottenere rese elevate di etanolo con cinque diversi tipi di materie prime cellulosiche, compreso switchgrass, paglia di grano, e stufato di mais (le foglie, steli, e le bucce lasciate dopo la raccolta del mais).

"Con il nostro ceppo ingegnerizzato, puoi essenzialmente ottenere la massima fermentazione cellulosica da tutte queste materie prime che di solito sono molto tossiche, "Lam dice. "La cosa grandiosa di questo è che non importa se forse una stagione i tuoi residui di mais non sono così grandi. Puoi passare alle cannucce energetiche, o se non hai un'elevata disponibilità di cannucce, puoi passare a una sorta di polposo, residuo legnoso."

I ricercatori hanno anche ingegnerizzato il loro enzima aldeide-etanolo in un ceppo di lievito che è stato progettato per produrre acido lattico, un precursore delle bioplastiche. Come ha fatto con l'etanolo, questo ceppo è stato in grado di produrre la stessa resa di acido lattico da materiali cellulosici come fa dal mais.

Questa dimostrazione suggerisce che potrebbe essere possibile progettare la tolleranza all'aldeide in ceppi di lievito che generano altri prodotti come il diesel. Il biodiesel potrebbe potenzialmente avere un grande impatto su industrie come l'autotrasporto pesante, spedizione, o aereo, che non dispongono di un'alternativa a emissioni zero come l'elettrificazione e richiedono enormi quantità di combustibili fossili.

"Ora abbiamo un modulo di tolleranza che puoi collegare a quasi tutti i tipi di percorso di produzione, " dice Stephanopoulos. "Il nostro obiettivo è estendere questa tecnologia ad altri organismi che sono più adatti per la produzione di questi combustibili pesanti, come gli oli, diesel, e carburante per aerei."