Un nuovo approccio su misura ai biocarburanti
Per produrre biocarburanti avanzati da biomassa lignocellulosica è fondamentale una conversione efficiente della cellulosa contenuta all’interno delle pareti cellulari in zuccheri fermentescibili, che rappresenta il principale ostacolo alla produzione su vasta scala. La scomposizione efficiente della biomassa in zuccheri, chiamata saccarificazione, può ridurre il costo del processo e, contemporaneamente, quello delle materie prime necessarie per la produzione di biocarburanti, garantendo tempi di pretrattamento inferiori o più tollerabili. Alcuni microbi dispongono di strutture naturali, chiamate cellulosomi, che contengono cellulasi, ovvero enzimi che scompongono la cellulosa in zuccheri in maniera efficiente. Il progetto finanziato dall’UE CELLULOSOMEPLUS ha sviluppato cellulosomi «progettisti» (designer cellulosomes, DC) per ottenere un’elevata generazione di zuccheri fermentescibili dalla frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU), al fine di creare biocarburanti avanzati con un basso costo di processo. Il consorzio ha prodotto i componenti di base dei cellulosomi naturali e altri enzimi lignocellulosici e, dopo averli assemblati realizzando i DC, ha caratterizzato l’idrolisi del substrato della FORSU. Ha inoltre studiato la struttura fisico-chimica, atomica e supramolecolare dei cellulosomi e le interazioni tra i loro vari componenti. «L’architettura dei cellulosomi è costituita da una subunità non catalitica “di impalcatura” contenente “coesine”, moduli di riconoscimento complementari di un altro tipo di dominio denominato “docherine”, che vengono trasportate dagli enzimi e consentono la loro integrazione nell’insieme», spiega il dott. Mariano Carrión-Vázquez, coordinatore del progetto. Sviluppo di nuovi saggi e modelli Per caratterizzare i componenti cellulosomici e non da utilizzare nei DC, il team ha sviluppato un saggio enzimatico standardizzato. Un altro saggio per determinare l’attività enzimatica nel substrato industriale ha mostrato che i cellulosomi idrolizzano la biomassa lignocellulosica in modo più efficiente rispetto ai singoli enzimi purificati o alle miscele di enzimi. «Questi studi hanno fornito una conoscenza più approfondita dell’architettura, della nanomeccanica e delle proprietà catalitiche dei cellulosomi, nonché della logica alle spalle della loro costruzione», afferma il dott. Carrión-Vázquez. Per studiare la struttura e l’auto-assemblaggio dei cellulosomi, è stata utilizzata la modellazione multiscala da livelli atomici e supramolecolari. Secondo il dott. Carrión-Vázquez: «I modelli hanno fornito nuove informazioni sulle proprietà dinamiche e sulle stabilità meccaniche dei catalizzatori, determinando di conseguenza nuove idee per esperimenti e un circuito di retroazione sinergico per la produzione di DC ottimizzati». Le conoscenze acquisite in materia di cellulosomi naturali e il conseguente screening dei loro componenti ha dotato i ricercatori di una piattaforma per testare la costruzione finale dei DC, costituiti di elementi cellulosomici e non e convalidati in scala di laboratorio e preindustriale per garantire la scomposizione ottimale del substrato industriale della FORSU. Vantaggi per la biotecnologia europea I partner del progetto hanno analizzato i cellulosomi di nove specie batteriche e creato una banca dati di componenti cellulosomiche. La stabilità termica dei principali enzimi cellulosomici è stata incrementata da mutagenesi casuale e semi-razionale, ottenendo così migliori risultati di idrolisi. Gli scienziati hanno inoltre individuato le strutture tridimensionali delle tre glicosidasi e utilizzato i dati per sviluppare modelli di calcolo. Sono stati inoltre elaborati diversi approcci per caratterizzare le interazioni tra i componenti cellulosomici attraverso spettroscopia di forza di singola molecola basata su metodi di microscopia a forza atomica, riducendo i tempi di preparazione dei campioni e incrementando la qualità e la comparabilità dei dati. Inoltre, è stato scoperto che la stabilità meccanica dei moduli di coesina di impalcatura è un nuovo rilevante parametro industriale dell’attività enzimatica dei cellulosomi. Il consorzio ha costruito diversi modelli di enzimi e DC multi-dominio, presentando un quadro dettagliato dei complessi cellulosomici e, in particolare, dati rilevanti sulla termostabilità e sulla specificità di substrato dei principali elementi cellulosomici. Il team ha sviluppato un DC formato da dieci componenti, combinando attività di cellulasi e di xilanasi con tre enzimi accessori. Per di più, la complessazione degli enzimi con formazione di DC ottimizzati ha aumentato l’idrolisi dei substrati modello e della biomassa lignocellulosica pretrattata. «L’utilizzo dei DC auto-assemblati come nanocatalizzatori andrà a vantaggio delle industrie biotecnologiche europee che operano in settori legati a quello dei trasporti, nonché delle industrie chimiche attive nel trattamento dei rifiuti e residui urbani originati dai settori agroalimentare, forestale e della carta», osserva il dott. Carrión-Vázquez. Adattare i DC ai diversi residui lignocellulosici di biomassa contribuirà al miglioramento dell’efficienza del processo, riducendo al contempo i costi di produzione. «Questa nuova tecnologia contribuirà inoltre a diminuire la dipendenza dell’Europa dal petrolio, a rafforzare le PMI all’interno dell’UE, a stimolare la creazione di posti di lavoro e a ridurre gli impatti ambientali del settore dei biocarburanti avanzati».
Parole chiave
CELLULOSOMEPLUS, cellulosoma, biocarburante, saccarificazione, cellulosa
