I ricercatori dell’Istituto Max-Planck per la microbiologia terrestre hanno sviluppato un ciclo biochimico sintetico THETA che rappresenta un importante passo per affrontare l’emergenza climatica grazie ai batteri.
La biologia sintetica apre nuove strade per la realizzazione di percorsi in vitro e in vivo di fissazione della CO2 per catturare l’anidride carbonica in maniera più efficiente rispetto ai metodi naturali, una sfida alla base della lotta all’inquinamento.
Gli scienziati del gruppo di Tobias Erb hanno progettato e costruito il cosiddetto ciclo THETA contenente diversi metaboliti centrali come intermedi e con l’elemento costitutivo centrale, l’acetil-CoA, come output. Questa caratteristica ne consente la suddivisione in moduli e l’integrazione nel metabolismo centrale dell’E.coli.
L’acetil-CoA è un metabolita centrale in quasi tutto il metabolismo cellulare e funge da elemento costitutivo per una vasta gamma di biomolecole vitali, inclusi biocarburanti, biomateriali e prodotti farmaceutici rendendolo un composto di grande interesse per le applicazioni biotecnologiche.
L’intero ciclo THETA coinvolge 17 biocatalizzatori ed è stato progettato attorno ai due enzimi di fissazione della CO2 più veloci finora conosciuti: crotonil-CoA carbossilasi/reduttasi e fosfoenolpiruvato carbossilasi. I ricercatori hanno trovato questi potenti biocatalizzatori nei batteri.
Sebbene ciascuna delle carbossilasi possa catturare la CO2 10 volte più velocemente di RubisCO, l’enzima che fissa la CO2 nei cloroplasti (microstrutture delimitate da membrana caratteristiche delle cellule vegetali, piante ed alghe, dove avviene la fotosintesi, ndr), l’evoluzione stessa non ha riunito questi enzimi nella fotosintesi naturale.
Dopo aver costruito il ciclo in provette, i ricercatori hanno potuto confermarne la funzionalità. La fase successiva è stata la formazione attraverso l’ottimizzazione guidata dall’apprendimento automatico nel corso di diversi cicli di esperimenti serviti per migliorare la resa di acetil-CoA di un fattore 100.
Per testarne la fattibilità in vivo, l’incorporazione nella cellula vivente dov’essere effettuata uno step alla volta. A tal fine il ciclo THETA è stato suddiviso in tre moduli, ciascuno dei quali è stato implementato con successo nel batterio E. coli. La funzionalità è stata verificata mediante selezione accoppiata alla crescita e/o etichettatura isotopica.
Shanshan Luo, autore principale dello studio, ha dichiarato come la chiusura del ciclo THETA rappresenti ancora una sfida importante in quanto tutte le 17 reazioni devono essere sincronizzate con il metabolismo naturale di E. coli che coinvolge naturalmente centinaia di migliaia di reazioni.
Il ricercatore ha sottolineato che dimostrare l’intero ciclo in vivo non sia l’unico obiettivo poiché lo studio ha il potenziale per diventare una piattaforma versatile per la produzione di composti preziosi direttamente dalla CO2 attraverso l’estensione della sua molecola di output, l’acetil-CoA.
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Immagini: Istituto Max Planck
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