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Una biotecnologia all’avanguardia offre nuovi approcci alla produzione di sostanze chimiche e terapeutiche

La biologia sintetica è una tecnologia emergente che promette di creare un nuovo paradigma di produzione con un chiaro ruolo nella bioeconomia futura. Sono previste applicazioni in importanti settori economici, quali la chimica, la medicina e l’ambiente.
Una biotecnologia all’avanguardia offre nuovi approcci alla produzione di sostanze chimiche e terapeutiche
Le fabbriche di cellule stanno emergendo come promettente alternativa alla produzione di prodotti chimici e terapeutici nei processi biocompatibili utilizzati nell’industria. Tuttavia, la progettazione di cellule per la sovrapproduzione di sostanze chimiche target a rese e tassi elevati contrasta con il loro tasso di crescita naturale e pone alcune sfide tecnologiche.

L’iniziativa PROMYS, finanziata dall’UE, è stata concepita per affrontare i limiti scientifici associati alla progettazione di sistemi biologici complessi. Tradizionalmente, l’isolamento di fenotipi di cellule di produzione ad alta resa richiede l’analisi di grandi set di dati per identificare i componenti genetici chiave. Gli scienziati di PROMYS hanno mirato ad accelerare drasticamente la costruzione, l’ottimizzazione e le prestazioni delle fabbriche di cellule attraverso una nuova tecnologia di biologia sintetica. «Volevamo sviluppare una piattaforma che consentisse di identificare i biocatalizzatori dalle prestazioni migliori in un modo ad alta produttività», spiega il coordinatore del progetto, il prof. Morten Sommer.

Superare le difficoltà della biotecnologia

Nei processi di fermentazione, le fabbriche di cellule spesso mostrano una ridotta produttività in quanto la sovrapproduzione della sostanza chimica target è tossica o non necessaria. Di conseguenza, le cellule ingegnerizzate si allontanano dall’obiettivo di produzione e vanno verso uno stato di produzione inferiore e un tasso di crescita più elevato.

Per risolvere questo collo di bottiglia, PROMYS ha generato i cosiddetti «sistemi di selezione sensibili al ligando», robusti circuiti biomolecolari con moduli di rilevamento integrati che rilevano lo stato cellulare e associano l’uscita a programmi cellulari. In sostanza, ciò pone una pressione selettiva non naturale sulla cellula ospite, con le singole cellule che non soddisfano gli obiettivi di produzione che vengono distrutte. «In questo modo la popolazione di fermentazione può essere mantenuta nello stato desiderato di elevata produttività con conseguenti maggiori rese di fermentazione», continua il prof. Sommer.

Durante il progetto, i ricercatori hanno dovuto affrontare questioni scientifiche relative allo sviluppo di percorsi sintetici, all’ottimizzazione della produzione della fabbrica di cellule e al controllo delle popolazioni cellulari durante la fermentazione. Per raggiungere questi obiettivi, hanno identificato specifici biosensori basati su RNA e proteine che potrebbero essere utilizzati come sistemi di selezione sensibili al ligando per i metaboliti chiave.

La selezione sensibile al ligando ha rappresentato una novità per PROMYS ed è stata utilizzata al posto delle metodologie standard di screening analitico. «Collegare la concentrazione di una sostanza chimica desiderata con la sopravvivenza cellulare ci ha permesso di testare rapidamente molti percorsi biosintetici, evitando metodi analitici dispendiosi in termini di tempo e ad alta intensità di lavoro», continua il prof. Sommer.

Attraverso cicli selettivi di ottimizzazione biologica all’interno del quadro di biologia sintetica, i ricercatori sono riusciti a ottimizzare specifici processi metabolici nelle cellule ingegnerizzate. Al tempo stesso, ciò ha permesso loro di creare numerose librerie di cellule che sono state successivamente sottoposte a screening per funzione enzimatica ottimizzata, nuovi percorsi sintetici e ottimizzazione della fabbrica di cellule.

Applicazioni tecnologiche

Oltre agli strumenti e alla metodologia, il progetto ha compiuto significativi progressi scientifici fornendo importanti informazioni nel campo della biologia sintetica. Integrando strumenti e concetti avanzati di biologia sintetica, la piattaforma PROMYS aiuta a identificare i parametri più vantaggiosi attraverso cicli auto-selettivi di ottimizzazione biologica.

Nel complesso, costituisce uno strumento prezioso nelle mani dei futuri ingegneri chimici, dando loro l’opportunità di modificare i percorsi cellulari per gli obiettivi specifici della loro applicazione. Per applicazioni biotecnologiche specifiche, essa consente la progettazione di fabbriche di cellule per obiettivi di produzione superando le inclinazioni naturali dei sistemi biologici.

Il progetto è stato concepito per includere partner industriali per la commercializzazione di prodotti e tecnologie. Come conclude il prof. Sommer «si prevede che i risultati avranno un impatto significativo su varie applicazioni industriali nel settore della chimica con un potenziale di entrate di svariati milioni di euro, comprendenti cibo e bevande, cosmetici e prodotti farmaceutici».

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Keywords

PROMYS, fabbrica di cellule, biologia sintetica, biotecnologia, biosensore