I fornai fanno fermentare l'impasto per una pagnotta ben lievitata. I produttori di birra fermentano il grano e l'orzo per un bicchiere di birra liscia e maltata. E come i principali fornai e birrai della natura, alcuni microbi possono fare ancora di più. Alcune specie di batteri fermentano l'anidride carbonica (CO₂ ) gas per produrre i propri nutrienti preferiti, che potrebbero essere sfruttati per contribuire a dare energia al nostro mondo.

Questa straordinaria capacità:fermentare CO₂ in energia chimica, non è persa per i ricercatori che studiano le reazioni chimiche sottili e complesse nei batteri.

Tra questi c'è Wei Xiong, scienziato del National Renewable Energy Laboratory (NREL), che ha affermato che i batteri che fermentano i gas offrono lezioni sulla trasformazione dei gas di scarico come la CO₂ in combustibili sostenibili.

"CO₂ la rimozione e la conversione sono di interesse mondiale come CO₂ è il più importante gas che intrappola il calore (serra) nell'atmosfera. Percorsi per CO₂ la fissazione è un punto cruciale", ha spiegato Xiong. "Abbiamo un interesse speciale nella progettazione di nuove CO₂ vie di fissazione nei batteri per aiutarli a sintetizzare i precursori chiave dei biocarburanti, ad esempio l'acetil-CoA."

L'acetil-CoA è l'ingrediente principale per la produzione di diversi combustibili chimici, inclusi acidi grassi, butanolo e isopropanolo. E come dettagliato in un articolo pubblicato su Nature Synthesis , Xiong e i suoi colleghi hanno mostrato come migliorare la produzione del precursore del carburante utilizzando un nuovo percorso nei batteri che fermentano i gas.

In questo modo, aumentano la possibilità di utilizzare metodi biologici per catturare e convertire CO₂ su scala industriale.

Contabilità del carbonio semplice:C1 + C1 =C2

Naturalmente, la fermentazione del gas nei batteri segue una serie lineare di reazioni, nota agli scienziati come il percorso Wood-Ljungdahl, dal nome dei professori Harland G. Wood e Lars G. Ljungdahl che lo scoprirono negli anni '80. In termini semplici, gli enzimi eliminano CO₂ del suo carbonio utilizzando l'energia elettrica dal vicino gas di idrogeno o monossido di carbonio. Quindi fissano due di questi atomi di carbonio (C1) su una molecola più grande già presente nei batteri, chiamata coenzima A (CoA). Attaccando due maniglie in carbonio (C2) a questa molecola ausiliaria, diventano più facilmente accessibili per altre reazioni.

Il risultato finale? Acetil-CoA, una molecola più densa di energia e carbonio che supporta la crescita dei batteri e un utile precursore per produrre biocarburanti preziosi e rispettosi del clima.

Nonostante la sua intelligenza, tuttavia, il percorso Wood-Ljungdahl da solo potrebbe non essere sufficiente per un uso industriale. E la sua matematica apparentemente semplice (C1 + C1 =C2) è la conseguenza di un numero vertiginoso di reazioni chimiche.

"Progettare questo percorso per migliorare l'efficienza è impegnativo a causa della complessità degli enzimi", ha spiegato Xiong.

Per evitare il miglioramento diretto del percorso Wood-Ljungdahl, gli scienziati hanno deciso di concettualizzare un percorso completamente nuovo per la produzione di acetil-CoA. Utilizzando un modello informatico sviluppato da NREL chiamato PathParser e strumenti genetici all'avanguardia, il team ha inventato un nuovo CO₂ -percorso di fissaggio in una specie di batteri fermentanti i gas chiamati Clostridium ljungdahlii.

Alla fine, la matematica funziona allo stesso modo:C1 + C1 =C2.

Ma per arrivarci, incorpora un paio di reazioni parallele:una bicicletta che fissa il carbonio con due ruote che lavorano insieme per catturare la CO₂ , trasformalo utilizzando una serie di ingranaggi chimici e reindirizzalo per spingere in avanti la generazione di acetil-CoA (illustrato nella figura sopra). Se aggiunto ai batteri che fermentano i gas, il percorso potrebbe integrare il percorso Wood-Ljungdahl per produrre acetil-CoA in modo più efficiente.

Possiamo fermentare la nostra strada verso la neutralità del carbonio?

Non c'è carenza di gas di scarico oggi e probabilmente anche in futuro. Milioni di tonnellate di CO₂ vengono rilasciati ogni anno dall'industria pesante, un sottoprodotto della raffinazione dei biocarburanti, della produzione di acciaio o della miscelazione del calcestruzzo. Gli scienziati stanno esplorando le tecnologie per acquisire e archiviare, meglio ancora utilizzando, CO₂ ben prima che raggiunga l'atmosfera.

"Nel contesto del riscaldamento globale e del cambiamento climatico, gli scienziati cercano nuove soluzioni dal metabolismo microbico per convertire la CO₂ a combustibili e sostanze chimiche", ha affermato Xiong. "I batteri che fermentano i gas fissano effettivamente la CO₂ e rappresentano un modo carbon-negative per soddisfare le nostre esigenze energetiche e ambientali."

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