Batteri al Lavoro: Isopropanolo Sostenibile Grazie a un Pizzico d’Ossigeno in Meno!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e sostenibilità! Oggi voglio parlarvi di una sfida affascinante: come possiamo produrre sostanze chimiche importanti, come l’isopropanolo, in modo più ecologico? Sapete, l’isopropanolo è ovunque: disinfettanti, sgrassanti, cosmetici, additivi per carburanti… un vero jolly! Ma oggi, la sua produzione dipende principalmente dai combustibili fossili, con tutto ciò che ne consegue per il nostro pianeta. E se potessimo usare dei minuscoli operai biologici per fare il lavoro sporco… o meglio, pulito?

Microrganismi al Servizio della Chimica Verde

Qui entrano in gioco i nostri amici batteri, in particolare un ceppo ben noto ai biotecnologi: Escherichia coli. Non storcete il naso! Sebbene alcuni ceppi possano causare problemi, molti sono innocui e incredibilmente versatili. Possiamo “ingegnerizzarli”, ovvero modificarli geneticamente, per trasformarli in piccole fabbriche capaci di produrre sostanze utili. Nel nostro caso, abbiamo preso geni da altri batteri (come Clostridium beijerinckii e Clostridium aurantibutyricum), che sanno produrre isopropanolo naturalmente, e li abbiamo inseriti nel nostro E. coli. L’idea è semplice: dare ai batteri una “ricetta” (i geni) e il “cibo” giusto (una fonte di carbonio), e loro produrranno isopropanolo per noi.

Ma non basta inserire i geni. Bisogna creare le condizioni perfette affinché questi batteri lavorino al meglio, massimizzando la produzione di isopropanolo e minimizzando gli sprechi o i sottoprodotti indesiderati. È qui che la faccenda si fa interessante e un po’ complicata.

La Sfida del Carbonio e l’Idea dell’Ossigeno

Il percorso metabolico che porta all’isopropanolo parte da una molecola chiave chiamata acetil-CoA, che è al centro del metabolismo del batterio. Il problema è che l’acetil-CoA serve anche per far crescere il batterio stesso (attraverso il ciclo TCA, ricordate le lezioni di biologia?). C’è quindi una competizione: usare il carbonio per crescere o per produrre isopropanolo?

Abbiamo provato inizialmente a far crescere i nostri E. coli ingegnerizzati in condizioni aerobiche (con tanto ossigeno) e dando loro cibo in modo controllato (una tecnica chiamata fed-batch). Risultato? I batteri crescevano bene, ma producevano pochissimo isopropanolo. Sembrava che, in quelle condizioni, preferissero usare le risorse per moltiplicarsi piuttosto che per attivare la nostra “fabbrica” di isopropanolo. Chiaramente, serviva un approccio diverso.

E se provassimo a limitare qualcosa di essenziale, come l’ossigeno? L’idea delle condizioni microaerobiche (pochissimo ossigeno, quasi zero) non è nuova. Si sa che può spingere E. coli a produrre più composti derivati dalla fermentazione. L’ossigeno, infatti, influenza profondamente come il batterio gestisce le sue risorse energetiche e il carbonio. Poteva essere la chiave per bilanciare crescita e produzione?

Un Ingrediente Speciale: il Siero di Latte

Prima di tuffarci negli esperimenti con l’ossigeno, c’è un altro aspetto cruciale: la sostenibilità. Volevamo usare una fonte di carbonio che non fosse solo efficace, ma anche ecologica ed economica. E cosa c’è di più sostenibile che usare uno scarto dell’industria alimentare? Abbiamo puntato sul siero di latte acido, un sottoprodotto della produzione di formaggio e yogurt. È ricco di lattosio, lo zucchero del latte, che il nostro ceppo di E. coli (chiamato W) sa metabolizzare benissimo. Usare il siero significa valorizzare un rifiuto, riducendo i costi di smaltimento e creando un processo davvero “circolare”. Fantastico, no?

L’Esperimento Decisivo: Trovare il Giusto Livello di “Fame d’Aria”

Ok, avevamo il nostro E. coli ingegnerizzato (abbiamo selezionato il ceppo migliore, chiamato W_IPA, dopo alcuni test preliminari), avevamo il nostro cibo sostenibile (lattosio e siero di latte), e avevamo l’idea di limitare l’ossigeno. Ma quanto? “Poco ossigeno” è vago. Dovevamo essere scientifici!

Abbiamo allestito dei bioreattori (dei contenitori controllati dove far crescere i batteri) e abbiamo giocato con due parametri che influenzano quanto ossigeno arriva alle cellule:

• La velocità di agitazione (più si agita, più ossigeno si scioglie nel liquido)
• La percentuale di ossigeno nel gas insufflato nel reattore

Usando un approccio statistico chiamato Design of Experiments (DoE), abbiamo testato diverse combinazioni di questi parametri. Non potevamo misurare direttamente le bassissime concentrazioni di ossigeno disciolto, quindi abbiamo definito le condizioni microaerobiche come quelle in cui la sonda dell’ossigeno segnava zero. Abbiamo poi calcolato un parametro fondamentale: il tasso specifico di consumo di ossigeno (qO2), che ci dice quanto ossigeno ogni grammo di batteri “respira” per ora. Questo qO2 è diventato il nostro indicatore chiave del livello di microaerobiosi.

Cosa Abbiamo Scoperto: Il Delicato Equilibrio Metabolico

Analizzando i risultati delle diverse condizioni, sono emerse cose affascinanti:

1. Correlazione Diretta: Più alto era il qO2 (cioè, condizioni “leggermente” microaerobiche, non completamente asfittiche), maggiore era il tasso di produzione di isopropanolo (qp, ipa). Sembrava che un minimo di “respiro” fosse benefico per la produzione.
2. Produzione Pseudo-Accoppiata alla Crescita: A differenza delle condizioni aerobiche, in microaerobiosi i batteri riuscivano a produrre isopropanolo mentre crescevano, seppur lentamente. Un comportamento molto più favorevole per un processo produttivo!
3. Ingorgo al Piruvato: Abbiamo notato l’accumulo di alcuni sottoprodotti, come piruvato e lattato, soprattutto nelle condizioni più strettamente limitate in ossigeno. Questo suggerisce un “collo di bottiglia” metabolico proprio al livello del piruvato, un’altra molecola crocevia. Sembra che gli enzimi che dovrebbero convertire il piruvato in acetil-CoA (PDH e PFL) non riuscissero a gestire tutto il flusso di carbonio in condizioni di forte carenza d’ossigeno.
4. L’Importanza del NADPH: Per trasformare l’acetone (un intermedio) in isopropanolo, serve una molecola energetica specifica chiamata NADPH. Abbiamo osservato che in condizioni di forte limitazione di ossigeno, si accumulava più acetone rispetto all’isopropanolo. Questo indica che probabilmente scarseggiava il NADPH, la cui produzione è legata ad alcune vie metaboliche (come il ciclo TCA e la via dei pentoso fosfati) che sono influenzate dalla disponibilità di ossigeno.

Alla fine, abbiamo identificato le condizioni ottimali: un ambiente leggermente microaerobico, caratterizzato da un qO2 intorno a 9.6 mmol g⁻¹ h⁻¹. Questo sembrava essere il miglior compromesso per massimizzare la produzione di isopropanolo e minimizzare i sottoprodotti indesiderati.

Il Gran Finale: Produzione Record su Lattosio e Siero di Latte!

Armati di questa conoscenza, abbiamo fatto delle prove di conferma, usando le condizioni ottimali (1000 rpm di agitazione, 30% di ossigeno nel gas in entrata, che portava a un qO2 medio ideale durante la fase microaerobica). I risultati sono stati entusiasmanti!

Siamo riusciti a produrre:

• 8.2 g/L di isopropanolo usando lattosio puro.
• Ben 20.6 g/L di isopropanolo usando il siero di latte acido!

Questi valori sono significativamente più alti (da 2.3 a 5.7 volte di più!) rispetto a quelli ottenuti nei tentativi aerobici. Ancora più impressionante è stata la velocità di produzione nella fase microaerobica, che ha raggiunto i 2.44 g di isopropanolo per litro all’ora usando il siero di latte. Questo dimostra che la strategia della limitazione controllata dell’ossigeno funziona, ed è particolarmente efficace con una materia prima sostenibile come il siero.

La Strada Verso l’Industria: Sfide e Prospettive

Certo, la strada per portare questa tecnologia su scala industriale è ancora lunga, ma abbiamo gettato basi solide. Cosa serve ora?

* Ottimizzazione Metabolica: Bisogna lavorare ancora sull’ingegneria genetica dei batteri per risolvere quel “collo di bottiglia” al piruvato e per assicurare una fornitura costante di NADPH. Magari potenziando certi enzimi o introducendone di nuovi.
* Controllo del Processo: Mantenere quel qO2 “giusto” in un grande fermentatore industriale non è banale. Servono sistemi di monitoraggio online (magari per misurare la biomassa in tempo reale) e algoritmi di controllo avanzati che regolino agitazione, flusso d’aria e composizione del gas per tenere il processo sempre nelle condizioni ottimali.
* Modalità Produttiva: Potremmo esplorare processi continui, magari in due stadi: uno per far crescere i batteri e uno, in condizioni microaerobiche controllate, per massimizzare la produzione di isopropanolo.

In conclusione, abbiamo dimostrato che giocando sapientemente con la disponibilità di ossigeno, possiamo convincere i nostri E. coli ingegnerizzati a diventare degli efficienti produttori di isopropanolo, specialmente quando li nutriamo con un sottoprodotto come il siero di latte. È un passo importante verso una chimica più verde e sostenibile, dove i microrganismi diventano i nostri preziosi alleati per un futuro migliore. La biotecnologia continua a sorprenderci!

Fonte: Springer