In un passo verso l'aumento del rapporto costo-efficacia dei biocarburanti rinnovabili e dei bioprodotti, gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory hanno scoperto un enzima microbico che degrada i legami difficili da rompere nella lignina, un prodotto di scarto delle bioraffinerie.

Quando inserito in un batterio bioingegnerizzato, l'enzima aiuta a convertire in modo efficiente i composti della lignina in un componente comune della plastica, aprendo un percorso per trasformare i rifiuti in un biochimico di valore commerciale.

"La lignina è un polimero davvero complicato, "ha detto Josh Michener, che ha guidato la ricerca di ORNL come dettagliato in Ingegneria metabolica . Il polimero, che contribuisce alla rigidità strutturale degli impianti, consiste di utili unità monomeriche tenute insieme da legami deboli e forti. Con la lignina che costituisce dal 20% al 30% di biomassa vegetale in peso, rompere i forti legami del polimero e convertire le sostanze chimiche che legano tra loro in prodotti a valore aggiunto è necessario per rendere economicamente fattibile la produzione di biocarburanti e prodotti a base vegetale.

Diverse comunità di batteri e funghi eseguono questi processi in natura, ma mantenere un mix di così tanti microbi diversi in un bioreattore può essere complicato. Risolvere questo problema, Scienziati dell'ORNL nel Centro per l'innovazione bioenergetica, o CBI, vogliono identificare gli enzimi che i microbi usano per degradare legami specifici nella lignina e ingegnerizzare i geni che codificano per quegli enzimi in un singolo organismo.

Lavorando per questo obiettivo, I ricercatori dell'ORNL hanno preso di mira un legame particolarmente ostinato che collega due molecole di carbonio in un dimero di lignina, un'unità di due monomeri uniti, chiamato 1, 2-diguaiacilpropano-1, 3-diolo, o DGPD.

Il team ha utilizzato il batterio Novosphingobium aromaticivorans, un microbo di interesse nella valorizzazione della lignina. Dopo aver identificato e coltivato un ceppo mutante di N. aromaticivorans che ha degradato in modo efficiente il legame desiderato in DGPD, i ricercatori hanno utilizzato la genetica batterica e le tecniche di distruzione dei geni per scoprire quale enzima fosse responsabile.

Con loro sorpresa, l'enzima che hanno identificato, che hanno chiamato LsdE, era stato etichettato come una proteina ipotetica, il che significa che la sua funzione era sconosciuta.

"Nessuno aveva mai visto questo tipo di chimica prima, " Ha detto Michener. "Non c'erano esempi in letteratura di un singolo enzima che potesse fare questa particolare trasformazione".

La scoperta è stata resa possibile dall'approccio su scala genomica del team dell'ORNL. Le tecniche biologiche si basano spesso sull'omologia, un metodo per esaminare enzimi che sembrano simili a quelli con funzioni note. Però, Michener ha notato, "Quando cerchiamo un'ipotetica proteina che non è mai stata descritta, non possiamo trovarlo per omologia."

Anziché, il team ha utilizzato tecniche genetiche che hanno permesso loro di trovare contatti esaminando ampiamente il genoma di N. aromaticivorans. Hanno quindi costruito una serie di microbi mutanti, ciascuno con un singolo gene interrotto. Collettivamente, ogni gene non essenziale è stato interrotto in almeno uno di questi mutanti.

Se il microbo mutante ha perso la sua capacità di scomporre il dimero DGPD quando un certo gene è stato rimosso, i ricercatori hanno potuto determinare che l'enzima codificato da quel gene era responsabile della degradazione, senza bisogno di conoscerne la funzione in anticipo.

"In questo caso, non c'era motivo per cui avremmo mai guardato all'LsdE e detto che ovviamente questo enzima fa quella reazione, " Ha detto Michener. "Quella è stata una delle parti più eccitanti e il fatto che abbiamo metodi in atto per fare quel tipo di scoperte".

In un altro microbo, nuove possibilità

Dopo aver identificato LsdE, il team ORNL ha testato per vedere se potevano convalidare ulteriormente la sua funzione. Il loro test ha confermato il ruolo di LsdE e ha rivelato che un enzima più noto, LsdA, ha svolto un ruolo complementare nell'ulteriore scomposizione della DGPD in composti utili.

Al Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili, un partner di progetto in CBI, gli scienziati hanno inserito entrambi gli enzimi in un ceppo del batterio Pseudomonas putida che era già stato progettato per produrre acido muconico, un precursore a valore aggiunto per la plastica. Hanno scoperto che l'aggiunta degli enzimi ha consentito a P. putida di convertire il DGPD in acido muconico con una resa di quasi il 100%.

"Con molti prodotti, stai perdendo carbonio lungo la strada, " ha detto Allison Werner, un ricercatore post-dottorato presso NREL e coautore dello studio. "Ma in questo caso, abbiamo un percorso molto efficiente."

"Al meglio delle nostre capacità analitiche, ogni molecola del dimero con cui abbiamo iniziato è stata convertita in due molecole del prodotto, che è piuttosto fenomenale, " ha detto Michela.

Questo lavoro fa parte di uno sforzo più ampio per convertire la lignina in prodotti a valore aggiunto. La ricerca futura mirerà a scoprire nuovi enzimi che rompono altri legami difficili ea comprendere meglio la struttura chimica dell'LsdE.