livello difficile
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ARGOMENTO: SVILUPPO DELLA SCIENZA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: NA
parole chiave: autotrofia sintetica, fissazione del carbonio, evoluzione adattiva, biologia sintetica, sostenibilità, ricablaggio metabolico, Escherichia coli
Il mondo vivente è in gran parte diviso in organismi autotrofi, che convertono la CO2 in biomassa, ed eterotrofi che non sono in grado di sintetizzare tutte le proprie molecole organiche autonomamente partendo da altre molecole inorganiche. Nonostante si parli della necessità di energie rinnovabili e di una produzione alimentare più ecosostenibile, la progettazione di organismi eterotrofi che possano essere impiegati industrialmente per utilizzare la CO2 sembra essere una missione impossibile.
In un recente studio multidisciplinare sembra essere stato finalmente raggiunto un risultato su questa trasformazione con tempistiche di laboratorio. In pratica i ricercatori sono riusciti a modificare il batterio Escherichia coli per produrre biomassa da anidride carbonica. La riduzione della potenza e dell’energia necessaria, ma non del carbonio, viene fornita attraverso il formiato di una molecola di carbonio, che può essere prodotto elettro chimicamente.
| La crescita autotrofica è stata raggiunta dopo diversi mesi di continua evoluzione di laboratorio in un dispositivo di laboratorio (il chemostato) in cui possono essere coltivati in maniera controllata alcuni organismi di piccole dimensioni, quali batteri o fitoplancton. |
Vediamo di capire meglio
Gli organismi autotrofi, che generano biomassa fissando il carbonio inorganico in composti organici, sono la finestra principale tra il mondo inorganico e quello vivente, essendo in grado di sintetizzare biomolecole (proteine, grassi e zuccheri), partendo da fonti di carbonio inorganiche.
| Con il termine biomassa si indica generalmente un insieme di organismi animali o vegetali presenti in una certa quantità in un dato ambiente come quello acquatico o terrestre. Non tutti sanno che la prima definizione del concetto di biomassa ecologica fu definita da un oceanografo, Zenkevich, e prima di lui dallo zoologo tedesco Reinhard , come quella massa che tutti gli organismi viventi di una particolare area possiedono insieme. |
Gli organismi autotrofi di fatto dominano la biomassa sulla Terra fornendoci il nostro cibo e la maggior parte del nostro combustibile. Una migliore comprensione dei principi della crescita autotrofica e di nuovi metodi per migliorarla sono quindi passi fondamentali per un’economia sostenibile.
Costruendo organismi autotrofi sintetici, in futuro potremmo imparare quali sono i principali vincoli su quelli naturali e come potremmo migliorare le loro vie metaboliche centrali. Si tratta di una grande sfida nella biologia sintetica per la progettazione autotrofica di un organismo modello eterotrofico.
Possiamo suddividere questo percorso in tre elementi essenziali:
– l’ospite deve utilizzare meccanismi per la fissazione della CO2 in un processo in cui l’apporto di carbonio è costituito esclusivamente da CO2, mentre gli output sono molecole organiche che entrano nel metabolismo centrale del carbonio e forniscono tutti i precursori di biomassa essenziali della cellula;
– costruire dei macchinari enzimatici per ottenere un potere riducente, raccogliendo energia non chimica (luminosa, elettrica, ecc.) oppure ossidando un composto chimico che non serva da fonte di carbonio;
– regolare e coordinare i percorsi di raccolta dell’energia e di fissazione della CO2 in modo da supportare la crescita dello stato stazionario con la CO2 come unica fonte di carbonio.
Tentativi precedenti (Mattozzi et al., 2013, Antonovsky et al., 2016, Schada von Borzyskowski et al., 2018) di stabilire cicli di fissazione autocatalitica di CO2 in modelli eterotrofi, al fine di ottenere una crescita stabile, avevano richiesto l’aggiunta di composti organici multi-carbonio, che servivano almeno in parte come fonte di carbonio.
In particolare, il disegno metabolico di un precedente lavoro (Antonovsky et al., 2016, Herz et al., 2017) era tale che la CO2 era fonte di solo un terzo del carbonio della biomassa cellulare, con il resto fornito da un acido organico (che serviva anche come potenza riducente e fonte di energia). Pertanto, la progettazione di un organismo eterotrofo, per fornire tutti i suoi componenti di biomassa dal carbonio inorganico, era ancora una sfida permanente.
Lo studio, che per la sua complessità richiede una attenta lettura del documento originale, mostra un notevole passo avanti, ed utilizza una varietà ingegnerizzata di E. coli che utilizza il ciclo Calvin-Benson-Bassham (CBB) per la fissazione del carbonio.
| Il ciclo di Calvin-Benson è un processo metabolico ciclico che avviene nello stroma del cloroplasto e utilizza ATP e NADPH provenienti dalla fase luce-dipendente per sintetizzare glucosio. Questo ciclo costituisce la cosiddetta fase oscura della fotosintesi ed è indipendente dalla luce. |
Il processo di bioingegneria graduale ha richiesto la co-espressione degli enzimi del ciclo di Calvin e di un enzima per la raccolta di energia, il ricablaggio razionale della rete metabolica endogena e l’evoluzione adattativa per ottenere la trasformazione desiderata della modalità trofica. L’istituzione dell’autotrofia sintetica dimostra l’incredibile plasticità del metabolismo centrale e potrebbe fornire un quadro per una futura bioproduzione ad emissione zero di carbonio.
La CO2 (in verde) è l’unica fonte di carbonio per tutta la biomassa generata. La fissazione della CO2 avviene tramite un ciclo di assimilazione del carbonio autotrofico. Il formato viene ossidato da una formidina deidrogenasi ricombinante (FDH) per produrre CO2 (in marrone) e NADH. NADH fornisce il potere riducente per guidare la fissazione del carbonio e funge da substrato per la generazione di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa (OXPHOS in nero). La freccia di ossidazione del formiato è più spessa della freccia di fissazione della CO2, indicando quindi un’emissione netta di CO2 anche in condizioni autotrofiche.
In sintesi, nello studio, i ricercatori dimostrano come sia possibile convertire la modalità trofica attraverso l’espressione di geni eterologhi combinati attraverso un ricablaggio metabolico e un’evoluzione di laboratorio. Questa rapida trasformazione mostra l’eccezionale plasticità del metabolismo e dimostra la potenza della struttura descritta per progettare il metabolismo cellulare. Ciò consente di sfruttare il potere della selezione naturale per mettere a punto la nuova funzione metabolica.
Attraverso l’uso di chemostati, per far crescere continuamente le cellule, la fornitura di quantità limitanti di un substrato surrogato (come lo Xilosio), che compensa la mancanza di piena attività della via introdotta, consente alle cellule di crescere lentamente e facilita il processo evolutivo.
Il potenziale offerto dalla biologia sintetica per contrastare sfide future, come l’assimilazione della CO2 atmosferica causata dalla produzione di cibo, carburanti e prodotti biochimici, è enorme. Sebbene negli ultimi anni siano stati compiuti molti progressi il raggiungimento dell’autotrofia sintetica in un organismo biotecnologico centrale come Escherichia coli costituisce una pietra miliare importante verso una produzione sostenibile di sostanze dalla CO2 che potrebbero, tra le tante cose, sfamare le popolazioni future.
In futuro, accoppiandosi ad una fonte di energia rinnovabile, il formiato potrebbe essere prodotto elettrochimicamente tramite il CO2 (Innocent et al., 2009) con emissioni di gas serra negative e quindi un grandissimo vantaggio per l’ambiente.
(A) Piano di fase fenotipica che mostra lo spazio possibile dato il tasso di crescita misurato (0,04 ± 0,01 h-1) della deformazione evoluta (linea blu). Esiste un forte accoppiamento tra l’assunzione di formiato e il tasso netto di produzione di CO2 poiché il formiato può essere metabolizzato solo tramite FDH nel nostro modello. In realtà, il formiato può essere usato per un flusso relativamente piccolo di biosintesi correlata al C1 e queste reazioni non fanno parte del modello centrale. Tuttavia, al tasso di crescita misurato, questi flussi sono trascurabili rispetto al tasso FDH. La sfumatura gialla indica il nostro valore misurato per la velocità di assorbimento del formiato (19 ± 2 mmol / gCDW / h). La croce blu indica la soluzione di analisi del bilanciamento del flusso con la somma totale minima dei flussi (nota anche come pFBA). (B) Grafico a barre in pila che mostra i flussi di tutte le reazioni di carbossilazione e decarbossilazione, per la soluzione di pFBA. L’FDH è di gran lunga il decarbossilatore più significativo e il rubisco è la principale reazione carbossilante. (C) Come B, tranne per il fatto che ipotizziamo una fonte alternativa per gli elettroni che è CO2 neutrale (si noti che la scala dell’asse y è diversa). Ad esempio, se il formiato viene prodotto elettrochimicamente, il suo contributo alla CO2 netta si annullerebbe. Le abbreviazioni della legenda sono le seguenti: FDH, formate deidrogenasi; PDH, piruvato deidrogenasi; ICDHyr, isocitrato deidrogenasi; ME1, NAD + – dipendente malato deidrogenasi; PPC, carbossilasi di fosfoenolpiruvato; RBC, rubisco. estratto dallo studio citato
Di fatto il formiato potrebbe essere usato come materia prima per la produzione biotecnologica di varie sostanze chimiche, usando l’Escherichia Coli (sinteticamente autotrofico) come piattaforma di bio-produzione attraverso un’industria sostenibile e scalabile.
In sintesi, questo importante studio, di difficile comprensione per i non addetti ai lavori, è un importante passo in avanti per comprendere le transizioni evolutive e sfruttare la biologia sintetica per una bio-produzione più sostenibile.
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