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I sistemi di reazione a base di enzimi privi di microrganismi vengono ora utilizzati per la produzione di idrogeno, bioelettricità e sostanze biochimiche utili. In questi biosistemi, le materie prime chiamate substrati vengono scomposte da una serie di enzimi (cioè catalizzatori biologici) per ottenere il prodotto finale desiderato. In molti casi, i substrati sono carboidrati come saccarosio, cellulosa o amido. Nella prima fase di queste reazioni, il saccarosio viene convertito in derivati del glucosio come ɑ-glucosio 1-fosfato (ɑ-G1P) o glucosio 6-fosfato (G6P), che fungono da importanti intermedi per ulteriori reazioni.
Nonostante la sua praticità d'uso e il basso costo, il maltosio è usato raramente come substrato per i biosistemi enzimatici. Questo perché gli enzimi tradizionali convertono il maltosio in β-G1P invece di ɑ-G1P (la sua immagine speculare) o G6P. A differenza di ɑ-G1P e G6P, β-G1P non può essere ulteriormente elaborato per ottenere il prodotto finale desiderato.
Un nuovo studio, pubblicato il 01 luglio 2022 in BioDesign Research , ha risolto questo problema in maniera altamente innovativa. In questo studio, i ricercatori cinesi hanno sviluppato un nuovo biosistema enzimatico sintetico che consente la biofabbricazione di prodotti di valore utilizzando il maltosio come substrato. Il professor Chun You, il ricercatore principale dello studio, commenta che "il maltosio è così conveniente, è lo zucchero preferito nell'industria alimentare. Ma le sue applicazioni come materia prima per la biosintesi sono state a lungo limitate. Il nostro nuovo il biosistema di reazione sintetica risolve questo problema e consente un maggiore utilizzo di maltosio nel settore della bioproduzione."
Ciascuna molecola di maltosio è costituita da due molecole di glucosio, legate attraverso il primo e il quarto atomo di carbonio. In confronto, il saccarosio è costituito da una molecola di glucosio e una di fruttosio, legate attraverso il primo e il secondo atomo di carbonio. Attraverso un rigoroso approccio graduale, il Prof. You e il suo team hanno prima progettato processi enzimatici che potrebbero teoricamente convertire entrambe le molecole di glucosio nel maltosio in G6P. Hanno quindi purificato individualmente questi enzimi, ottimizzato la "ricetta" e costruito il biosistema di reazione enzimatica in vitro, che consisteva in tre enzimi:maltosio fosforilasi (MP), β-fosfoglucomutasi (β-PGM) e polifosfato glucochinasi (PPGK). I loro risultati preliminari hanno dimostrato che la loro strategia ha avuto successo:il sistema enzimatico in tre parti potrebbe convertire ogni molecola di maltosio in due molecole di G6P.
Sostenuto da questi risultati, il gruppo ha deciso di scalare un altro picco. G6P era solo un intermedio. Il loro vero obiettivo era ottenere preziosi prodotti finali dal maltosio. A tal fine, si sono concentrati su due prodotti importanti, il primo dei quali era il fruttosio 1,6-difosfato (FDP). L'FDP è stato scelto per il suo valore clinico nel trattamento di lesioni ischemiche, convulsioni e complicanze del diabete. Il secondo prodotto è stata la bioelettricità, una forma di energia ecologica.
Per questi prodotti finali sono stati progettati due sistemi di reazione separati. Il modulo enzimatico in tre parti era il componente principale di entrambi questi sistemi di reazione. Successivamente, il primo sistema di reazione è stato alimentato con enzimi a valle per la sintesi di FDP da G6P, mentre al secondo sistema sono stati aggiunti enzimi che hanno consentito la generazione di bioelettricità da G6P.
Attraverso i loro progetti intelligenti, il biosistema di produzione di FDP in vitro a 5 enzimi e il sistema di batterie a 14 enzimi hanno ottenuto rispettivamente la produzione efficiente di FDP e bioelettricità. La resa di FDP potrebbe essere aumentata a oltre l'88% della resa teorica, mentre la bioelettricità prodotta aveva un'efficienza energetica superiore al 96% e una densità di potenza massima di 0,6 milliwatt per centimetro quadrato.
Insieme, questi risultati aumentano i casi d'uso del maltosio come substrato di biosintesi. Il Prof. You spiega che "il potenziale del maltosio come materia prima per la bioproduzione è in gran parte non sfruttato. Il nostro studio propone nuovi scenari applicativi per questo zucchero. Mentre in questo studio ci siamo concentrati su FDP e bioelettricità, ci sono numerose altre applicazioni, che possono essere esplorato in studi futuri". Aggiunge che la loro "strategia rappresenta anche un nuovo approccio per la generazione altamente efficiente di bioelettricità e sostanze biochimiche utili". + Esplora ulteriormente
