La fissazione artificiale del carbonio supera la natura
La fissazione sintetica del carbonio funziona in modo più efficiente rispetto alle vie metaboliche naturali nei batteri viventi
Una collaborazione internazionale ha dimostrato per la prima volta che la fissazione sintetica del carbonio nei sistemi viventi può funzionare in modo più efficiente rispetto alla natura. I ricercatori del laboratorio di Tobias Erb presso l'Istituto Max Planck per la Microbiologia Terrestre hanno incorporato una via metabolica sintetica in un batterio e hanno dimostrato, con un confronto diretto, che può formare una biomassa significativamente maggiore dall'acido formico e dallaCO2 rispetto al ceppo batterico naturale.
Il dottor Beau Dronsella, ricercatore Max Planck presso l'MPI per la Microbiologia Terrestre di Marburgo, con un bioreattore sperimentale
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Geisel
La natura fissa laCO2 principalmente nel cosiddetto ciclo di Calvin, che fa parte della fotosintesi. Tuttavia, questa via di fissazione naturale è limitata in termini di efficienza. I ricercatori guidati da Tobias Erb hanno già sviluppato cicli artificiali come il ciclo CETCH o THETA, che sono più efficienti del ciclo di Calvin naturale. Questi percorsi funzionano già in provetta, ma finora sono stati incorporati solo parzialmente negli organismi viventi.
LaCO2 può essere fissata anche con metodi fisico-chimici, ad esempio con la riduzione elettrochimica dellaCO2 ad acido formico utilizzando energia elettrica rinnovabile. Purtroppo, questo processo non può ancora essere utilizzato per trasformare l'acido formico in molecole complesse come zuccheri o proteine, perché il processo è troppo inefficiente.
Tuttavia, la costruzione di biomassa a partire da corpi C1 come l'acido formico e laCO2 è una specialità dei microrganismi. Infatti, alcuni batteri possono crescere sull'acido formico e produrre numerosi prodotti. I ricercatori stanno quindi sviluppando processi ibridi che fissano prima fisicamente laCO2 nell'acido formico e poi la trasformano ulteriormente per via microbica.
Soluzioni ibride sostenibili
Poiché molti batteri in natura convertono l'acido formico attraverso l'inefficiente ciclo di Calvin, si potrebbero utilizzare anche alternative artificiali come il ciclo CETCH per rendere più produttiva la parte microbica di questo processo ibrido e produrre i prodotti di partenza desiderati in modo più sostenibile. Ma i metodi sintetici creati dall'uomo per elaborare il carbonio sarebbero davvero più efficienti di quelli naturali in un confronto diretto?
Per rispondere a questa domanda, il team di ricerca ha messo in gara la "via della glicina riduttiva", la via metabolica artificiale più efficiente per l'assimilazione dell'acido formico. Per dimostrare che può superare in termini di energia la fissazione naturale del carbonio rappresentata dal ciclo di Calvin, hanno scelto il batterio non fototrofo Cupriavidus necator, che utilizza il ciclo di Calvin per convertire l'acido formico. Uno dei partner della cooperazione, il dottor Nico Claassens dell'Università di Wageningen, era già riuscito a introdurre la via riduttiva della glicina in questo organismo nel 2020, ma i tassi di crescita e, soprattutto, la resa in biomassa, che riflette l'efficienza metabolica, erano inferiori rispetto al batterio non modificato.
Ottimizzazione attraverso l'evoluzione in laboratorio
Nel nuovo studio, il team di ricerca ha trasferito il percorso completo della glicina riduttiva nel genoma del batterio, ma questa volta ha ottimizzato l'efficienza del percorso. Hanno caricato elementi di DNA mobile che possono essere inseriti casualmente nel genoma con le parti della via metabolica. Hanno poi utilizzato l'evoluzione di laboratorio per ottimizzare la modifica del genoma per la crescita su acido formico, aumentandone così l'efficienza. "Le cellule in cui i geni della via glicinica riduttiva sono stati inseriti e trascritti in modo favorevole l'uno all'altro sono cresciute meglio delle altre e sono state ulteriormente selezionate da noi finché la loro produzione non si è avvicinata all'optimum fisiologico", spiega il dottor Beau Dronsella, primo autore dello studio, apparso sulla rivista Nature Microbiology.
Sintetico e naturale a confronto diretto
Nel successivo confronto con il bioreattore, il ceppo artificialmente modificato e ottimizzato ha prodotto una quantità significativamente maggiore di biomassa da acido formico eCO2 rispetto al ceppo batterico naturale. I ricercatori hanno persino misurato rese di biomassa più elevate rispetto a tutti gli organismi comparabili che utilizzano il ciclo di Calvin o vie sintetiche per utilizzare l'acido formico. Tuttavia, il ceppo modificato artificialmente era solo la metà più veloce del ceppo naturale.
Potenziale per la bioproduzione futura
Tuttavia, i ricercatori sono fiduciosi che questo divario possa essere ridotto attraverso l'evoluzione adattativa in laboratorio. La prova che la biologia sintetica può essere utilizzata in modo più efficiente in un contesto biotecnologico per fissare il carbonio non è rilevante solo per la via riduttiva della glicina qui descritta, ma per molte delle vie metaboliche artificiali delineate. "Il nostro risultato ha un grande potenziale per la bioproduzione sostenibile di acido formico e potrebbe anche rendere ancora più efficienti le bioproduzioni già avviate", afferma Beau Dronsella. "L'acido formico potrebbe anche essere utilizzato come vettore energetico chimico, simile all'idrogeno, per immagazzinare l'energia rinnovabile in eccesso in futuro e utilizzarla per la bioproduzione". Per Tobias Erb, lo studio rappresenta un passo significativo per il giovane campo della biologia sintetica: "È affascinante il fatto che possiamo usare la biologia sintetica per progettare in pochi anni nuove soluzioni che funzionano in modo più efficiente di quelle che si sono evolute in natura nel corso di miliardi di anni".
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