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Ingegneria enzimatica per potenziare le applicazioni biotecnologiche

La fusione di zuccheri con piccole molecole farmaceutiche o alimentari, processo noto come glicosilazione, può migliorare notevolmente le loro proprietà. Un’iniziativa finanziata dall’UE ha utilizzato biotecnologie avanzate per sviluppare nuovi processi efficienti ed ecocompatibili coinvolgenti la glicosilazione.
Ingegneria enzimatica per potenziare le applicazioni biotecnologiche
La glicosilazione è un processo ampiamente utilizzato per migliorare la solubilità di alimenti sani o composti di farmaci, incrementando l’attività di alcuni antibiotici o modulando le caratteristiche di sapori o odori. L’esecuzione di reazioni di glicosilazione attraverso la via enzimatica piuttosto che la sintesi chimica è più specifica, efficiente, ecocompatibile e utilizza meno energia. Tuttavia le glicosiltransferasi (GT), gli enzimi deputati al processo di glicosilazione, per funzionare richiedono zuccheri attivati da nucleotidi, che risultano costosi per le applicazioni industriali.

Il progetto SUSY, finanziato dall’UE, ha proposto di affrontare questo problema attraverso lo sviluppo di un processo multifase più conveniente basato sulle proprietà uniche di tre tipi di enzimi che modificano lo zucchero: levansucrasi, saccarosio sintasi e glicosiltransferasi. «L’idea era quella di utilizzare il saccarosio come punto di partenza del processo, in quanto substrato molto economico e abbondante», spiega il coordinatore del progetto, il prof. Tom Desmet. «Combinando i tre enzimi in modalità multifase, ricicliamo i costosi composti intermedi durante l’intero processo, riducendo notevolmente il costo dei prodotti glicosilati», continua.

Enzimi ingegnerizzati con nuove proprietà

Sono stati fatti sforzi considerevoli per ovviare a determinati limiti associati alle naturali varianti degli enzimi impiegati, quali la ristretta specificità e la stabilità limitata. In questo contesto, i ricercatori si sono affidati a un’ampia ingegneria molecolare per identificare nuove varianti di enzimi con caratteristiche migliorate, includendo una più ampia specificità del substrato. Hanno impiegato una pletora di sistemi di espressione per l’espressione ricombinante degli enzimi ingegnerizzati.

Inoltre, sono state identificate varianti enzimatiche di origine vegetale e batterica e la loro stabilità a lungo termine è stata ulteriormente aumentata attraverso protocolli di co-immobilizzazione. In particolare, la saccarosio sintasi dell’Acidiothiobacillus caldus, un organismo procariotico che vive a temperature estreme, si è dimostrata la migliore candidata per scopi ingegneristici. L’enzima era attivo a temperature elevate, dimostrando maggiore termostabilità e promiscuità nei confronti di substrati alternativi. L’efficace isolamento e trattamento a valle dei prodotti di glicosilazione è stato realizzato mediante protocolli di cromatografia liquida ad alte prestazioni.

Processi ecocompatibili

Nella parte finale del progetto, le conoscenze e le informazioni acquisite sono state tradotte in condizioni per processi di glicosilazione su larga scala, producendo fino a 100 g di prodotto. Tutto questo è stato eseguito presso le strutture dell’impianto pilota dei partner del consorzio, dimostrando il potenziale economico della tecnologia SUSY e supportando la successiva valorizzazione dei risultati e delle tecnologie del progetto. È importante sottolineare che i ricercatori hanno valutato l’impatto ambientale dei processi biocatalitici di recente sviluppo, dimostrando che l’energia utilizzata riduce l’impronta ecologica dell’intero processo.

Con enzimi che servono come importanti biocatalizzatori superando la sintesi chimica, ci si aspetta che i risultati del progetto SUSY migliorino e amplino le applicazioni biotecnologiche nei settori alimentare, chimico, farmaceutico e per la cura personale. La tecnologia ha il potenziale per estendersi verso la galatto-, manno- e fuco-silazione, ampliando così la gamma di prodotti sintetizzati. Allo stesso tempo, SUSY alimenterà lo sviluppo dell’industria chimica fornendo il quadro per la produzione economicamente efficiente di glicosidi, portando a un’intera gamma di nuovi composti.

In vista del futuro, il prof. Desmet prevede che «la biocatalisi costituirà un importante pilastro della chimica verde, con enzimi che offrono significativi benefici ecologici grazie al loro basso consumo energetico e alla mancanza di generazione di rifiuti tossici».

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Keywords

SUSY, glicosilazione, glicosiltransferasi, enzima, biocatalizzatore