Il fungo Talaromyces verruculosus può produrre l'acido chimico eritro-isocitrico direttamente da scarti vegetali a basso costo, rendendolo quindi interessante per l'utilizzo industriale.
Utilizzando le capacità naturali del fungo non geneticamente modificato, un gruppo di ricerca di Jena ha scoperto un metodo per la conversione efficiente della cellulosa in una forma di acido isocitrico. Il nuovo metodo di produzione potrebbe semplificare in modo significativo il processo precedentemente complesso e in più fasi per ottenere sostanze chimiche di base dalla cellulosa richiedendo un solo bioprocesso.
Grazie al nuovo metodo economicamente vantaggioso, la molecola sorella dell'acido citrico, utilizzata raramente, può favorire un'economia circolare sostenibile, a condizione che esista un mercato per essa.
Lo studio è stato pubblicato da un gruppo di ricerca dell'Istituto Leibniz per la ricerca sui prodotti naturali e la biologia delle infezioni—Istituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) sulla rivista ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Essendo prodotti metabolici naturali della maggior parte degli organismi viventi, l'acido citrico e l'acido isocitrico sono tra gli acidi più diffusi in natura. L'acido citrico viene prodotto industrialmente in grandi quantità utilizzando il fungo della muffa Aspergillus niger. Con una produzione annua di circa 2,8 milioni di tonnellate in tutto il mondo, è uno dei prodotti biotecnologici dal volume più elevato in assoluto.
Il suo campo di applicazione è enorme:che si tratti di decalcificante, conservante, prodotto per la cura o esaltatore di sapidità, questa versatile sostanza chimica naturale è un additivo importante ed anche economico nell'industria, poiché la produzione biotecnologica è estremamente efficiente e semplice.
Anche la produzione di bioplastiche e biocarburanti dall’acido citrico è tecnicamente possibile. Tuttavia, poiché l’acido citrico viene prodotto dallo zucchero ed è quindi in diretta concorrenza con la produzione alimentare, questi campi di applicazione finora non sono stati né economici né sostenibili. Infatti, la produzione di acido citrico attualmente consuma più dell'1% della produzione mondiale di zucchero.
L'acido isocitrico è molto simile all'acido citrico, solo un gruppo ossidrile è posizionato su un atomo di carbonio diverso. Ciò rende la molecola asimmetrica e ne esistono due diverse varianti, note come diastereomeri, chiamate acido treo ed eritro-isocitrico. Ogni diastereomero ha due varianti speculari, le forme D e L.
L'acido citrico e l'acido isocitrico hanno proprietà quasi identiche e si può presumere che la forma iso sia altrettanto ampiamente applicabile. Il motivo per cui questo non è il caso è che non esiste ancora un processo di produzione efficiente per l'acido isocitrico puro, quindi attualmente è disponibile solo come sostanza chimica di ricerca.
Un chilogrammo di sostanza costa attualmente circa 18.000 euro. Tuttavia, il nuovo processo di produzione consente una produzione sostenibile ed economica da rifiuti e residui vegetali come paglia, carta straccia o residui di legno, il che potrebbe consentire in futuro di produrre acido isocitrico a costi ancora più bassi rispetto all'acido citrico.
Fino ad ora, per utilizzare tali materiali da fonti rinnovabili era necessario un processo complesso in tre fasi. Erano necessari enzimi costosi per scomporre enzimaticamente la cellulosa in zucchero in modo che potesse essere finalmente utilizzata dai microrganismi.
Un fungo, un processo
Un approccio promettente è il cosiddetto bioprocessing consolidato (CBP), in cui varie fasi del processo vengono combinate in un unico processo utilizzando microrganismi adatti. La protagonista del nuovo procedimento biotecnologico è la muffa Talaromyces verruculosus.
Nei test di screening, il primo autore Ivan Schlembach ha scoperto che il tipo selvatico di T. verruculosus isolato dalla natura può convertire la lignocellulosa direttamente in acido eritro-isocitrico, in massa e in modo molto efficiente in un unico processo in cui il fungo stesso produce tutti gli enzimi necessari per questo.
Negli esperimenti, i ricercatori hanno determinato le condizioni ideali per la degradazione della cellulosa e la produzione di acido isocitrico, compresi fattori come il contenuto di azoto, il valore del pH, la temperatura e la concentrazione dei nutrienti. Hanno inoltre sviluppato nuovi metodi per misurare con precisione l'attività dell'enzima cellulasi, fondamentale per la degradazione della cellulosa, durante il processo di fermentazione. Ciò consente un controllo ottimale del processo di produzione.
Miriam Rosenbaum dirige l'impianto pilota biologico presso l'HKI Leibniz ed è professoressa di biotecnologia sintetica presso l'Università Friedrich Schiller di Jena. Spiega:"Il T. verruculosus ha la capacità unica di convertire la lignocellulosa direttamente in acido eritro-isocitrico con notevole efficienza.
"Lo fa a una velocità paragonabile alla conversione del glucosio, che viene utilizzato in laboratorio come materiale di partenza per il processo di fermentazione. Con il fungo abbiamo sviluppato un processo più semplice ed economico."
L’acido isocitrico può essere facilmente convertito chimicamente in acido itaconico, per il quale esiste già una grande richiesta per la produzione di plastiche e rivestimenti sostenibili. Se l'acido eritroisocitrico è facilmente disponibile, i clienti non dovrebbero quindi mancare.
Tuttavia, esiste lo stesso ostacolo che vale per qualsiasi nuova sostanza:poiché l'acido eritroisocitrico finora non è disponibile in grandi quantità, è necessario prima crearne il mercato.
Il processo notevolmente più economico che è stato ora sviluppato apre nuove possibilità e applicazioni.
Un'altra particolarità è il fatto che durante il processo si forma solo acido eritroisocitrico e non una miscela di diversi diastereomeri. Ciò rende la molecola particolarmente interessante per applicazioni speciali, ad esempio nell'industria farmaceutica.
Nel caso dei farmaci, spesso solo un diastereomero è efficace, quindi deve essere faticosamente isolato dalla miscela di entrambe le varianti. L'acido eritro-isocitrico può fungere da prezioso elemento costitutivo chirale per le sintesi chimiche.
Le proprietà biologiche specifiche dell'acido eritro-isocitrico sono state finora poco studiate. Tuttavia, sono state dimostrate molte proprietà utili per la molecola sorella dell'acido treo-isocitrico.
Quest'ultimo può essere una preziosa aggiunta all'acido citrico, in particolare nell'industria medica, farmaceutica, cosmetica o alimentare, ad esempio come agente chelante, come anticoagulante nei campioni di sangue, come integratore alimentare funzionale, come ingrediente nei cosmetici, come conservante o come composto antietà nei prodotti lifestyle.
I risultati sottolineano che organismi come T. verruculosus possono consentire l'utilizzo sostenibile dei rifiuti organici e rendere economicamente sostenibile la produzione di sostanze chimiche preziose dalla biomassa rinnovabile.
"La natura ha un enorme potenziale per affrontare le sfide globali della sostenibilità. Il fungo T. verruculosus getta le basi per una tecnologia verde a basso costo, e ci sono anche molti usi industriali per l'acido isocitrico. L'unica cosa che manca al momento è l'apertura del mercato verso il nuovo processo", sottolinea Ivan Schlembach.
Il gruppo di ricerca sta ora lavorando per ottimizzare ulteriormente il processo e chiarire le reazioni biochimiche coinvolte nella formazione dell'acido isocitrico. Perfezionando i parametri biochimici, i ricercatori di Jena sperano di contribuire alla transizione verso una bioeconomia sostenibile ed efficiente sotto il profilo delle risorse.
In futuro si intende collaborare con i partner industriali interessati per verificare se il procedimento, ora brevettato, potrà reggere il confronto anche sul mercato.
Ulteriori informazioni: Ivan Schlembach et al, Il fungo non ingegnerizzato fornisce una scorciatoia dalla cellulosa all'acido eritro-isocitrico sfuso, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04664
Informazioni sul giornale: Chimica e ingegneria sostenibile ACS
Fornito da Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI)
