Oggi le materie prime per quasi tutti i prodotti industriali, dai medicinali ai pneumatici per auto, provengono da materie prime chimiche non rinnovabili. Sono prodotti nelle raffinerie di combustibili fossili che emettono gas serra, come l'anidride carbonica. Tuttavia, le future fabbriche chimiche potrebbero invertire questa dinamica, producendo alcuni composti utilizzando piante che costruiscono naturalmente sostanze chimiche complesse attirando molecole di anidride carbonica dall'aria.

Tomokazu Shirai attinge alle capacità chimiche native della biologia, reindirizzandole in modo che piante e microbi producano in modo pulito i tipi di sostanze chimiche industriali attualmente derivate dal cracking del petrolio greggio. Il biologo sintetico è scienziato senior presso il Cell Factory Research Team ed è entrato a far parte del RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS, precedentemente RIKEN Biomass Engineering Program) nel 2012. Il suo team ha già creato i primi microbi al mondo che prendono il glucosio e lo convertono in acido maleico o 1,3-butadiene. Questi preziosi prodotti chimici industriali sono utilizzati in una miriade di prodotti, inclusi polimeri e gomme.

Ma questo è solo il primo passo per i biologi sintetici CSRS. Questi microbi ingegnerizzati devono essere alimentati con zuccheri per produrre le sostanze chimiche bersaglio, ma se le piante vengono utilizzate come organismi ospiti, la loro capacità di assimilare l'anidride carbonica direttamente dall'atmosfera si tradurrà nella produzione carbon-negativa di molte sostanze chimiche preziose.

Design invecchiato dal computer

La biologia sintetica è un'area di ricerca emergente che combina chimica, biologia e ingegneria per rielaborare le vie metaboliche di produzione delle molecole degli organismi bersaglio in modo che producano sostanze chimiche preziose. Gli scienziati CSRS hanno esperienza nella chimica catalitica e nella biologia chimica, ma anche molti sono specializzati in scienza dei dati su larga scala, calcolo e simulazione e intelligenza artificiale.

L'uso dell'IA rappresenta un allontanamento dai modi tradizionali di fare biologia sintetica. Ma questo approccio computazionale è stato fondamentale per una collaborazione con il produttore di pneumatici Yokohama Rubber e Zeon Corporation. La joint venture ha progettato e creato microbi di E. coli che prelevano il glucosio e lo convertono in 1,3-butadiene, una sostanza chimica sintetica chiave utilizzata per la produzione di pneumatici.

Il primo passo in qualsiasi progetto di biologia sintetica consiste nell'analizzare le vie metaboliche del potenziale ospite per identificare i punti che potrebbero essere deviati per produrre la sostanza chimica desiderata. Eventuali modifiche non devono uccidere o compromettere in modo significativo la crescita dell'host.

Dal 2012, Shirai ha sviluppato e perfezionato lo strumento di simulazione BioProV per navigare in questo complesso spazio biochimico. BioProV è un'intelligenza artificiale addestrata nella classificazione delle vie metaboliche e nei modelli di reazione enzimatica che analizza le vie metaboliche naturali di un organismo. Propone modifiche del percorso per produrre una sostanza chimica bersaglio senza influenzare il metabolismo generale dell'ospite. Questo strumento in silico consente la progettazione di vie metaboliche artificiali e la valutazione della loro fattibilità.

Il suo team ha identificato che E. coli produce naturalmente una molecola chiamata acido muconico, che potrebbe essere trasformata in 1,3-butadiene in due reazioni enzimatiche. Per dare al microbo la capacità di eseguire i due passaggi mancanti, Shirai e i suoi colleghi hanno progettato enzimi per la necessaria conversione chimica nel 2021.

Per fare ciò, hanno identificato enzimi noti che potrebbero catalizzare reazioni correlate e quindi li hanno modificati per le nuove reazioni. La simulazione computazionale era necessaria per riprogettare e rimodellare i siti attivi degli enzimi candidati per accettare il nuovo substrato. Il team ha progettato in modo razionale enzimi che hanno ottenuto un aumento dell'attività di 1.000 volte rispetto all'enzima wild-type originale.

I codici DNA per questi enzimi migliorati sono stati inseriti nel genoma di E. coli e ora l'1,3-butadiene prodotto da questi microbi ingegnerizzati viene facilmente convogliato dal loro bioreattore. I partner commerciali del progetto stanno attualmente intensificando il processo per produrre le quantità in chilogrammi di 1,3-butadiene necessarie per produrre e valutare gli pneumatici realizzati utilizzando la sostanza chimica di derivazione biologica.

Le aziende chimiche impiegano molti chimici, ma pochi ricercatori biologici, quindi connettersi e collaborare con queste aziende per tradurre la biologia sintetica nel mondo reale è un passo enorme.

Lavori in legno

Un'alternativa sostenibile alla produzione chimica tradizionale derivata dai combustibili fossili consiste nel prendere materiali attualmente considerati rifiuti e convertirli chimicamente o biologicamente in prodotti di valore.

Gli steli legnosi e gli steli delle piante rimasti dopo la raccolta di frutta e cereali sono un flusso di rifiuti su scala globale. Il componente principale di queste parti vegetali non commestibili è la lignina, un biopolimero resistente. La lignina è il composto più abbondante dalle piante e uno dei composti più abbondanti sulla Terra. Può provenire dai rifiuti agricoli ed è la fonte di carbonio più economica e sostenibile con cui produrre combustibili e prodotti chimici rinnovabili. Usarlo come materia prima per sostanze chimiche di alto valore potrebbe essere estremamente vantaggioso per la società.

La complessa struttura chimica della lignina rende difficile la scomposizione e il rimontaggio in nuovi composti. Ad esempio, un trattamento termico noto come pirolisi rapida può scomporre la lignina in subunità chiamate monomeri cinnamici. Queste molecole presentano un doppio legame che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per ricombinare i monomeri in polimeri funzionali avanzati. Tuttavia, le catene laterali situate attorno al doppio legame impediscono la reattività chimica, ostacolando gli sforzi per produrre polimeri da questi rifiuti organici.

Lo scienziato del CSRS Hideki Abe ha recentemente sviluppato un metodo per superare questa limitazione. Piuttosto che la biologia sintetica, Abe ha utilizzato l'organocatalisi per unire i monomeri cinnamici. La catalisi organica è una tecnica di chimica sostenibile, riconosciuta dal Premio Nobel per la Chimica 2021, che utilizza piccole molecole organiche come catalizzatori al posto dei tradizionali catalizzatori a base di metalli rari o tossici.

Le resine acriliche risultanti hanno mostrato un'elevata resistenza e resistenza al calore e alla degradazione chimica, suggerendo un'ampia gamma di potenziali usi, compresi i componenti della carrozzeria e del motore.

Semina la crescita futura

Un altro prodotto di scarto in abbondanza è l'anidride carbonica atmosferica.

Per il Cell Factory Research Team, la prossima grande sfida consiste nell'utilizzare la biologia sintetica per sviluppare piante in grado di assorbire l'anidride carbonica dall'atmosfera e trasformarla in sostanze chimiche importanti dal punto di vista industriale.

Rispetto ai microbi unicellulari, gli organismi superiori multicellulari come le piante sono molto più complessi nel loro genoma e nelle loro vie metaboliche. Questo li rende significativamente più difficili per i biologi sintetici con cui lavorano. La re-ingegnerizzazione riuscita delle vie metaboliche dei microbi ha fornito un'eccellente formazione verso l'obiettivo finale di utilizzare le piante come ospiti. Collaborando con ricercatori CSRS specializzati in scienze delle piante, il Cell Factory Research Team sta traducendo il suo lavoro pionieristico sui microbi in intuizioni che possono accelerare la biologia sintetica delle cellule vegetali, in particolare per la produzione dei terpenoidi usati nei medicinali e negli aromatici.

Con il governo giapponese che ha recentemente annunciato il suo obiettivo di essere carbon neutral entro il 2050, le piante superiori in grado di riparare l'anidride carbonica utilizzando l'energia della luce solare sono l'ideale assoluto per la futura produzione chimica.

Ricerche correlate sono state pubblicate in Nature Communications e Materiali naturali negli anni. + Esplora ulteriormente

Microbi progettati per convertire lo zucchero in una sostanza chimica presente negli pneumatici