I ricercatori della TU Graz in Austria sono riusciti per la prima volta a visualizzare a livello di singola molecola i processi coinvolti in una nanomacchina biologica, noto come cellulosoma, in quanto degrada la cellulosa cristallina. Le intuizioni fondamentali così ottenute potrebbero supportare concetti sostenibili di utilizzo della cellulosa per fare un passo avanti nella biotecnologia industriale.

Il componente vegetale cellulosa è un materiale estremamente resistente, polimero insolubile in acqua che è difficile da abbattere. Ciò rende più difficile l'uso efficiente e sostenibile della biomassa vegetale nelle bioraffinerie. "Solo quando ci saranno approcci sostenibili ed efficienti in termini di costi per la degradazione della cellulosa inizieremo a produrre combustibili, prodotti chimici e materiali su larga scala da biomasse vegetali, " spiega Bernd Nidetzky, biotecnologo e capo dell'Istituto di biotecnologia e ingegneria biochimica della TU Graz.

Degradazione della cellulosa in natura

In natura, la degradazione biologica della cellulosa avviene o attraverso cellulasi o attraverso cellulosomi. Le cellulasi sono enzimi che differiscono per specificità e modalità di azione e sono sinergicamente coinvolte nella degradazione della cellulosa da piante legnose come alberi o arbusti. Sebbene le singole cellulasi possano trovarsi in stretta vicinanza l'una all'altra, sono individuali, unità fisicamente indipendenti. Un cellulosoma, d'altra parte, è un complesso proteico, una raccolta ordinata e fisicamente interconnessa di enzimi necessari per la degradazione della cellulosa.

Bernd Nidetzky e il suo team si sono prefissi il compito di comprendere e visualizzare meglio i cellulosomi come nanomacchine biologiche che degradano essenzialmente la cellulosa. I ricercatori hanno ora compiuto un passo decisivo verso questo obiettivo in un progetto sostenuto dal Fondo austriaco per la scienza (FWF). Sono stati in grado di visualizzare un cellulosoma a livello di singola molecola durante la degradazione della cellulosa mediante la microscopia a forza atomica time-lapse e quindi ottenere informazioni sulla sua modalità di funzionamento. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Scienze Centrali ACS .

Nanomacchine al lavoro

In concreto, i ricercatori documentano la degradazione della cellulosa utilizzando un cellulosoma del batterio Clostridium thermocellum. È dimostrato che il cellulosoma si adatta dinamicamente alle diverse condizioni superficiali della cellulosa. "Quando si lega alla cellulosa, il cellulosoma diventa allungato, anche filiformi le forma e le trasforma dinamicamente su una scala temporale inferiore al minuto secondo le esigenze della superficie cellulosica attaccata. Rispetto alle cellulasi, che staccano materiale quando scivolano lungo superfici di cellulosa cristallina, i cellulosomi rimangono legati localmente per minuti e rimuovono il materiale sottostante. Il conseguente irruvidimento della superficie porta ad una efficiente degradazione dei nanocristalli di cellulosa, " spiega Bernd Nidetzky.

Prospettive per le bioraffinerie

"Le nostre analisi dimostrano che i cellulosomi sono estremamente efficienti nella decomposizione della cellulosa. Potrebbero quindi svolgere un ruolo centrale nello sviluppo di nuovi approcci per le bioraffinerie, " ha sottolineato Nidetzky. Sfruttando i diversi meccanismi di azione dei complessi enzimatici sotto forma di cellulosoma ed enzimi liberi, la degradazione della cellulosa può essere effettuata più velocemente, più completo e con un minor fabbisogno di enzimi. Le sinergie tra i meccanismi di degradazione della cellulasi e dei cellulosomi potrebbero quindi aiutare nella progettazione di sistemi di cellulasi ibridi e fornire nuove prospettive per le applicazioni nelle bioraffinerie.