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Custom-made biosensors – Accelerating the transition to a bio-based economy

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Fabbriche microbiche di cellule per processi di produzione più sostenibili

Microrganismi che producono sostanze chimiche preziose potrebbero un giorno sostituire i combustibili fossili come fonte di composti industriali. Per renderlo possibile, il progetto CUSTOM-SENSE ha creato biosensori che semplificano l’identificazione dei microrganismi dotati del potenziale maggiore.

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Tecnologie industriali

L’umanità ha sviluppato l’abitudine di produrre i composti chimici di cui ha bisogno a partire dai combustibili fossili, con le conseguenze che conosciamo in termini di consumo energetico, emissioni di CO2 e rilascio di rifiuti tossici in natura. Ma cosa succederebbe se potessimo produrre aminoacidi, coloranti alimentari o monomeri di plastica con l’aiuto di microrganismi? Non è poi vero che anche i combustibili fossili derivano dai microbi? Da diversi anni la biotecnologia industriale mira a impiegare i microrganismi o il loro enzimi per convertire gli zuccheri nei diversi composti forniti dall’industria chimica, ma questa volta attraverso un processo più sostenibile. Tuttavia, perché ciò sia possibile, i ricercatori devono prima identificare quali microrganismi producono determinati composti, e in che misura. «L’idea è di progettare microrganismi e “obbligarli” a convogliare la propria energia nella produzione di sostanze chimiche, invece di concentrarsi sulla crescita e sulla replicazione. Spesso, però, non sappiamo come massimizzare la formazione del prodotto nel microrganismo in questione. Per aggirare questo problema, dobbiamo creare centinaia o migliaia di varianti del medesimo microrganismo e caratterizzarle individualmente. Questa operazione richiede grandi investimenti in termini di denaro, forza lavoro e tempo», afferma Jan Marienhagen, responsabile del dipartimento di fabbriche di cellule sintetiche presso il Centro di ricerca Jülich, in Germania. Per superare tali ostacoli, a maggio 2015 Marienhagen ha avviato il progetto CUSTOM-SENSE (Custom-made biosensors – Accelerating the transition to a bio-based economy), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER). «I nostri obiettivi centrali sono due», spiega. «Il primo è scoprire se possiamo progettare e costruire biosensori per analizzare una singola cellula e farci un’idea di quanto produca. Il secondo è fornire una soluzione in grado di valutare la capacità di produzione di milioni di cellule in modo estremamente rapido e senza bisogno di coltivarle».

Biosensori e sistemi di tracciamento

Sul piano concreto, CUSTOM-SENSE sta lavorando a una serie di biosensori in grado di rilevare sostanze chimiche interessanti direttamente nella singola cellula. Ciascun sensore esegue una scansione per un composto specifico e, una volta rilevato, obbliga il microrganismo a emettere una fluorescenza nel momento in cui produce tale composto. Quanto più composto viene prodotto dal microrganismo, tanto più diventa fluorescente. Ovviamente, analizzare una cellula alla volta sarebbe impossibile, perciò Marienhagen e il suo team uniscono l’approccio basato sui biosensori a macchinari detti citometri a flusso in fluorescenza (FACS, fluorescence-activated cell sorters). «Siamo in grado di analizzare fino a 80 000 cellule al secondo. Con una “potenza di screening” così elevata, l’idea di produrre migliaia o persino milioni di varianti di cellule e di osservare come ciascun cambiamento influisca sulla formazione del prodotto non è più un sogno, ma può diventare realtà. Ciò comporta non solo una grande capacità di produrre ceppi, ma anche più informazioni sul metabolismo dei microbi», osserva. Il team del progetto ha già sviluppato diversi biosensori per aminoacidi e composti aromatici di interesse biotecnologico e li ha uniti al dispositivo FACS al fine di svolgere ampie campagne di screening. Sebbene il progetto non terminerà prima di aprile 2021, alcuni risultati stanno già attirando l’attenzione. «In particolare, siamo in grado di “affinare” la specificità di un biosensore, il che significa che potremmo rimuoverne una specificità senza alterare la risposta a un altro metabolita di interesse. Questa operazione non era mai stato raggiunta prima d’ora, e il risultato è stato recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications. Nel frattempo, abbiamo creato un’intera “famiglia di biosensori” per composti aromatici molto diversi fra loro. Tutti questi biosensori possono essere combinati tramite FACS e utilizzati direttamente», aggiunge Marienhagen. Nei prossimi mesi il team intende proseguire il lavoro su algoritmi informatici per approfondire cambiamenti in 100 diverse varianti di ceppi, migliorate grazie ai biosensori del progetto. Ci si attende che tale studio contribuisca ad approfondire la comprensione del metabolismo microbico e, in ultima analisi, conduca a nuove applicazioni industriali per i microrganismi, i quali a loro volta renderebbero l’industria europea più ecologica.

Parole chiave

CUSTOM-SENSE, sostanze chimiche, industria, microrganismi, biosensori

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