Batteri ingegnerizzati per le sostanze chimiche climaticamente neutre del futuro

Gli scienziati dell'ETH di Zurigo riferiscono di aver ingegnerizzato i batteri in laboratorio per utilizzare il metanolo in modo efficiente. Il metabolismo di questi batteri può ora essere sfruttato per produrre prodotti preziosi che l’industria chimica attualmente ricava dai combustibili fossili, secondo i ricercatori, il cui articolo è intitolato “Metilotrofia sintetica”. Escherichia coli “Come struttura per la bioproduzione di metanolo” appare in Natura stimolante.

“Il metanolo prodotto dai gas serra catturati è una materia prima rinnovabile emergente con un grande potenziale per la bioproduzione. Recenti ricerche hanno sollevato la possibilità di bioconversione del metanolo in prodotti a valore aggiunto utilizzando metilotrofi sintetici Escherichia coli“Il metabolismo può essere riorganizzato per consentire la crescita solo sul composto ridotto a un carbonio”, hanno scritto i ricercatori.

“Ecco mezza generazione batteri coli Il ceppo cresce sul metanolo in un tempo raddoppiato di 4,3 ore, rispetto a molti metilotrofi naturali. Per stabilire la bioproduzione di metanolo utilizzando questa struttura sintetica, abbiamo dimostrato un processo di biosintesi da quattro complessi metabolici da cui possono essere estratti diversi bioprodotti: acido lattico dal piruvato, poliidrossibutirrato dall'acetil coenzima A, acido itaconico dal ciclo dell'acido tricarbossilico e S-Acido aminobenzoico della via corismatica.

“In un passo verso le sostanze chimiche carbon-negative e l’aumento del valore dei gas serra, il nostro lavoro porta i metilotrofi sintetici a… batteri coli Conveniente per applicazioni industriali.”

Per produrre varie sostanze chimiche come plastica, coloranti o aromi artificiali, l’industria chimica attualmente fa molto affidamento su risorse fossili come il petrolio greggio.

“A livello globale, se ne consumano 500 milioni di tonnellate all'anno, ovvero più di 1 milione di tonnellate al giorno”, afferma Julia Vorholt-Zampelli, Ph.D., professoressa all'Istituto di microbiologia dell'ETH di Zurigo, il cui team sta cercando modi per ridurre i rifiuti dell’industria chimica”. Dipendenza dai combustibili fossili. “Perché queste conversioni chimiche consumano molta energia, la vera anidride carbonica₂ L'impronta dell'industria chimica è da sei a dieci volte più grande, pari a circa il 5% delle emissioni globali totali.

Metanolo verde

I batteri che si nutrono di metanolo (metilotrofi) sono al centro di questi sforzi. Contiene un solo atomo di carbonio, il metanolo è una delle molecole organiche più semplici e può essere ottenuto da anidride carbonica e acqua. Se l’energia necessaria per questa reazione sintetica proviene da fonti rinnovabili, il metanolo viene definito “verde”.

“Esistono metilotrofi naturali, ma il loro uso industriale rimane difficile nonostante i significativi sforzi di ricerca”, afferma Michael Reiter, Ph.D., ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Voorholt Zambelli, che lavora invece con batteri modello ben compresi dal punto di vista biotecnologico. Escherichia coli. Da diversi anni il team di Furholt-Zampelli persegue l’idea di fornire ai batteri modello che crescono sullo zucchero la capacità di metabolizzare il metanolo.

“Si tratta di una sfida enorme perché richiede una ristrutturazione completa del metabolismo cellulare”, afferma Furholt-Zampelli. Innanzitutto, i ricercatori hanno simulato questo cambiamento utilizzando modelli computerizzati. Sulla base di queste simulazioni, hanno scelto due geni da rimuovere e tre nuovi geni da introdurre. “Di conseguenza, i batteri possono assorbire metanolo, anche se solo in piccole quantità”, aggiunge Reiter.

Hanno continuato a far crescere i batteri in condizioni speciali in laboratorio per più di un anno finché i microbi non sono stati in grado di produrre tutti i componenti cellulari dal metanolo. Nel corso di circa altre 1.000 generazioni, questi metilotrofi sintetici sono diventati sempre più efficienti, fino a raddoppiare ogni quattro ore se alimentati solo con metanolo. “L’aumento del tasso di crescita rende i batteri economicamente interessanti”, spiega Furholt Zambelli.

Ottimizzazione attraverso la perdita di funzionalità

Diverse mutazioni che si verificano casualmente sono responsabili dell'aumento dell'efficienza dell'uso del metanolo. La maggior parte di queste mutazioni hanno comportato la perdita della funzione di vari geni. Ciò è sorprendente a prima vista, ma dopo un esame più attento diventa chiaro che le cellule possono risparmiare energia grazie alla perdita della funzione genetica. Ad esempio, alcune mutazioni causano il fallimento delle reazioni reversibili di importanti reazioni biochimiche. “Ciò elimina le conversioni chimiche ridondanti e migliora il flusso metabolico nelle cellule”, hanno scritto i ricercatori.

Per esplorare il potenziale dei metilotrofi sintetici per la produzione biotecnologica di sostanze chimiche sfuse di rilevanza industriale, Voorholt-Zampelli e il suo team hanno dotato i batteri di geni aggiuntivi per quattro diversi percorsi biosintetici. Nel loro studio hanno ora dimostrato che i batteri hanno effettivamente prodotto i composti desiderati in tutti i casi.

Per i ricercatori, questa è una prova evidente che i loro batteri ingegnerizzati possono raggiungere ciò che avevano promesso originariamente: i microbi sono una sorta di piattaforma di produzione versatile in cui i moduli biosintetici possono essere introdotti secondo il principio “plug and play”, spingendo i ricercatori a raggiungere ciò che avevano promesso. I batteri convertono il metanolo in sostanze biochimiche desiderabili.

Tuttavia, i ricercatori devono ancora aumentare in modo significativo la produzione e la produttività per consentire un utilizzo economicamente sostenibile dei batteri. Voorholt-Zampelli e il suo team si sono recentemente assicurati un fondo per l’innovazione “per espandere ulteriormente i piani verso le applicazioni e scegliere su quali prodotti concentrarsi per primi”, afferma Voorholt-Zampelli.