Ciascun globo - uno è stato evidenziato in verde lime - è un microcompartimento batterico, di circa 40 nanometri di diametro. È circa un millesimo del diametro di un capello umano. Credito:Kerfeld Lab/PNAS
Grazie a una caratteristica meno nota della microbiologia, i ricercatori della Michigan State University hanno contribuito ad aprire una porta che potrebbe portare alla produzione di medicinali, vitamine e altro a costi inferiori e con maggiore efficienza.
Il team di ricerca internazionale, guidato da Henning Kirst e Cheryl Kerfeld presso il College of Natural Science, ha riproposto quelli che sono noti come microcompartimenti batterici e li ha programmati per produrre sostanze chimiche preziose da ingredienti di partenza poco costosi.
Il team ha pubblicato il suo lavoro il 22 febbraio sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .
"I microcompartimenti sono come nanoreattori o nanofabbriche", ha affermato Kirst, un ricercatore associato nel laboratorio di Kerfeld, che opera sia presso l'MSU che presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.
Kirst, Kerfeld e i loro compagni di squadra hanno visto i microcompartimenti come un'opportunità per portare importanti reazioni chimiche al livello successivo. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno sfruttato il potere degli enzimi presenti nei batteri per creare prodotti chimici di valore, inclusi biocarburanti e medicinali.
In quelle applicazioni industriali, tuttavia, i chimici spesso fanno affidamento sull'intero microrganismo per produrre il composto desiderato, che secondo Kirst può portare a complicazioni e inefficienze.
"L'analogia che usiamo è che è come una casa. Se hai reazioni che girano dappertutto, può diventare molto complesso", ha detto Kirst. "Immagina di iniziare a fare la doccia nel seminterrato, ma poi devi andare al secondo piano per prendere lo shampoo, poi tornare nel seminterrato per finire la doccia e poi al primo piano per prendere l'asciugamano. È solo molto inefficiente."
Nel caso dei microrganismi, i batteri potrebbero creare un ingrediente su un lato della sua cellula, mentre l'enzima specifico che utilizza quell'ingrediente per realizzare il prodotto finale si trova sull'altro lato. Quindi, anche se quell'ingrediente può attraversare la cellula, ci sono altri enzimi lungo il percorso che potrebbero catturarlo e usarlo per qualcos'altro.
Gli enzimi, invece, vivono in microcompartimenti batterici, che sono come stanze all'interno della casa che è la cellula. I ricercatori e i loro colleghi hanno dimostrato di poter progettare microcompartimenti per ottimizzare una reazione specifica, riunendo gli enzimi e gli ingredienti necessari nello stesso spazio più piccolo, invece di disperderli.
"Stiamo mettendo tutto ciò di cui abbiamo bisogno per un'attività nella stessa stanza", ha detto Kirst. "La compartimentazione ci dà molto più controllo e migliora l'efficienza."
I microcompartimenti batterici sono costituiti da proteine, rappresentate dalle linee colorate e ondulate nella figura in alto. Questi gusci icosaedrici sono vuoti, come mostrato di seguito, e i ricercatori spartani hanno contribuito a mostrare come possono aggiungere enzimi di scelta all'interno. Credito:Kerfeld Lab/PNAS
"È come lavorare in un appartamento efficiente contro lo Spelling Manor", ha detto Kerfeld, Hannah Distinguished Professor alla MSU (lo Spelling Manor è un'enorme proprietà a Los Angeles, ha oltre 100 stanze e più di 50.000 piedi quadrati). Kerfeld lavora anche nel Laboratorio di ricerca sulle piante MSU-DOE, che è supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Come prova di concetto, il team ha progettato un sistema di microscomparti che potrebbe trasformare i composti semplici ed economici formiato e acetato in piruvato.
"Il piruvato è anche un precursore relativamente semplice per praticamente qualsiasi cosa la biologia possa produrre, ad esempio prodotti farmaceutici, vitamine e aromi", ha detto Kirst. "Ma pensiamo che l'intero principio sia molto generalizzabile a molte altre vie metaboliche che sarebbe interessante esplorare."
E non sono gli unici a pensarla così.
"Il sistema qui descritto può essere utilizzato come piattaforma in ambiziosi progetti di ingegneria", ha scritto Volker Müller in un commento sulla ricerca. Müller è il capo del Dipartimento di Microbiologia e Bioenergetica della Goethe University di Francoforte e non è stato coinvolto nel progetto.
"Questo è entusiasmante e apre la strada all'utilizzo della strategia di ingegnerizzazione (microcompartimenti batterici) per la produzione di vari composti da substrati economici", ha affermato.
I microcompartimenti batterici sono simili agli organelli o piccoli "organi" che si trovano nelle cellule degli eucarioti, che includono piante, esseri umani e altri animali. Sebbene si trovino in molti diversi tipi di batteri, dove aiutano a svolgere una moltitudine di reazioni, sono ancora relativamente nuovi per la scienza. Ci è voluto l'avvento della microscopia elettronica ad alta risoluzione e del sequenziamento genico a prezzi accessibili perché i ricercatori capissero quanto siano diffusi e versatili questi compartimenti, ha spiegato Kerfeld.
Lavorando con i ricercatori del Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, i ricercatori spartani hanno rafforzato questa versatilità. Hanno mostrato come gli scienziati possono creare versioni di questi compartimenti che non si trovano in natura.
"Possiamo prendere l'architettura per il compartimento e inserire un tipo di reazione totalmente nuovo", ha detto Kerfeld. "Questa strategia potrebbe essere applicata in molti modi diversi per molti usi diversi, anche usi che non sono compatibili con i batteri."
"Penso che sia il risultato più importante", ha detto Kirst. "Abbiamo fatto un grande passo avanti verso la realizzazione di un organello batterico sintetico". + Esplora ulteriormente
