Una soluzione ottimale per una necessità impellente.
Viviamo in un’epoca di grandi innovazioni tecnologiche che troppo spesso richiedono ancora quantità eccessive di risorse e generano un’impronta energetica sempre più difficile da sostenere. Ecco che, trasformare un gas di scarto in una risorsa utile si è rivelato da tempo uno degli obiettivi più importanti e ambiziosi della ricerca scientifica. Con l’aumento costante delle concentrazioni di anidride carbonica nell’atmosfera e l’urgenza di ridurre le emissioni climalteranti, la capacità di riciclare la CO₂ in modo efficiente rappresenta una delle grandi sfide tecnologiche del nostro tempo. È in questo contesto che si inserisce il recente lavoro congiunto di ricercatori della Stanford University e della Northwestern University, che hanno dimostrato la possibilità di creare un metabolismo artificiale completamente nuovo, capace di convertire la CO₂ in molecole biologiche fondamentali.
un processo sintetico per un risultato naturale.
Il cuore della scoperta è un percorso metabolico sintetico, battezzato Reductive Formate Pathway (ReForm), che trasforma il formiato, una piccola molecola liquida facilmente ottenibile dalla riduzione elettrochimica dell’anidride carbonica, in acetil-CoA, uno dei metaboliti basilari della biochimica. L’acetil-CoA è infatti una sorta di “nodo universale” del metabolismo: tutte le cellule viventi, infatti, lo utilizzano come punto di partenza per produrre energia, lipidi, amminoacidi e molte altre molecole essenziali. Dimostrare di poterlo ottenere partendo dalla CO₂, al di fuori di qualsiasi organismo vivente, rappresenta un risultato di portata concettuale di tutto riguardo. A differenza dei cicli metabolici naturali, che si sono evoluti nel corso di miliardi di anni, il percorso ReForm non esiste in natura. È stato progettato interamente in laboratorio, combinando enzimi ingegnerizzati in modo da catalizzare reazioni chimiche mai osservate in sistemi biologici naturali. Come dimostrazione pratica del potenziale del sistema, i ricercatori hanno utilizzato l’acetil-CoA prodotto per sintetizzare malato, una molecola di interesse industriale impiegata nei settori alimentare, cosmetico e nella produzione di plastiche biodegradabili.
ma andiamo nel dettaglio.
Il lavoro, pubblicato il 22 dicembre su Nature Chemical Engineering, rappresenta un passo avanti significativo per la biologia sintetica applicata al riciclo del carbonio.
“Abbiamo urgente bisogno di soluzioni convenienti, sostenibili dal punto di vista ambientale ed efficienti dal punto di vista energetico per gestire l’abbondanza di CO₂ nella nostra atmosfera”, ha spiegato Michael Jewett, professore di bioingegneria a Stanford e autore senior dello studio. “La biologia offre un potenziale enorme, ma finora è rimasta inefficiente nel convertire la CO₂ in sostanze chimiche utili. Con ReForm abbiamo voluto indicare una nuova direzione trasformativa”.
Negli ultimi anni, molti gruppi di ricerca hanno tentato di valorizzare la CO₂ catturata convertendola in prodotti chimici ad alto valore aggiunto. Il formiato si è imposto come uno dei candidati più promettenti, perché può essere prodotto a partire da elettricità e acqua e funge da “ponte” tra sistemi elettrochimici e biologici. Tuttavia, la biologia naturale presenta un limite fondamentale: pochissimi microrganismi sono in grado di utilizzare il formiato in modo efficiente, e quelli che lo fanno sono difficili da ingegnerizzare per applicazioni industriali.
“In natura non esiste alcun percorso che trasformi direttamente il formiato in acetil-CoA”, ha sottolineato Ashty S. Karim, professore associato alla Northwestern University e co-direttore dello studio. “Esistono enzimi che possono interagire con il formiato, ma non sono in grado di convertirlo in qualcosa di realmente utile. Per questo siamo partiti da un percorso teorico, immaginando reazioni e funzioni enzimatiche che la natura non ha mai sviluppato”.
Per rendere possibile questo approccio, il team ha fatto ampio uso della biologia sintetica acellulare. Invece di lavorare con organismi viventi, i ricercatori hanno “smontato” le cellule, isolandone l’apparato molecolare (enzimi, cofattori e piccole molecole) e trasferendolo in provetta. Questo sistema, privo di cellule viventi, consente di testare rapidamente un numero enorme di varianti enzimatiche, evitando i vincoli imposti dal metabolismo cellulare naturale e riducendo drasticamente tempi e costi di sperimentazione.
“È come aprire il cofano di un’auto e smontare il motore”, ha detto Jewett. “Poi possiamo usare quel ‘motore’ per scopi diversi, liberi dai vincoli dell’auto”.
Grazie a questo approccio, il gruppo ha potuto analizzare 66 enzimi candidati e generare oltre 3.000 varianti enzimatiche, selezionando e ottimizzando quelle più adatte allo scopo. Il risultato finale è un percorso in sei fasi, catalizzato da cinque enzimi ingegnerizzati, in grado di convertire il formiato in acetil-CoA con un’efficienza mai raggiunta prima in sistemi biologici artificiali. Regolando con precisione le concentrazioni degli enzimi, dei cofattori e le condizioni di reazione, i ricercatori sono riusciti a indirizzare il flusso metabolico verso la produzione di malato come prodotto modello.
un grande potenziale accessibile e adattabile
Dal punto di vista scientifico, l’importanza di ReForm va oltre la singola dimostrazione sperimentale. Come descritto nell’astratto della pubblicazione, il percorso amplia in modo significativo il repertorio dei sistemi di utilizzo del carbonio monoatomico (C1) sintetico. Oltre al formiato, ReForm è infatti in grado di accettare anche altri substrati C1, come formaldeide e metanolo, anch’essi ottenibili dalla riduzione elettrochimica della CO₂. Questa flessibilità apre la strada allo sviluppo di piattaforme ibride, in cui processi elettrochimici e biologici lavorano in sinergia per trasformare l’anidride carbonica in combustibili, materiali e intermedi chimici. Come già detto, l’aspetto cruciale è che l’intero sistema opera in vitro, al di fuori delle cellule viventi. Ciò permette, grazie ai processi basati sui microrganismi ingegnerizzati, un controllo estremamente fine dei parametri di reazione e rende il percorso prevedibile e modulabile. In prospettiva, questo potrebbe facilitare l’integrazione di ReForm in processi industriali decentralizzati e adattabili a diverse scale produttive.
Nel lungo periodo, i ricercatori vedono in questa ricerca un tassello fondamentale per la costruzione di una bioeconomia basata sul formiato, in cui la CO₂ non sia più considerata un rifiuto, ma una risorsa primaria.
“Siamo entusiasti del potenziale della biologia sintetica nel trasformare il carbonio superficiale nei prodotti che utilizziamo ogni giorno”, ha concluso Jewett. “ReForm rappresenta un primo, importante passo verso sistemi di produzione chimica a emissioni nette zero”.
In un mondo che deve imparare rapidamente a convivere in armonia con i limiti ambientali, la possibilità di progettare nuovi metabolismi, svincolati dalla storia evolutiva della vita, potrebbe rivelarsi una delle chiavi più promettenti per riconciliare sviluppo tecnologico e sostenibilità.
E ReForm è la dimostrazione che questa opportunità è davvero a portata di mano.
by O. D. B.
Fonti:
