I ricercatori ETH hanno selezionato delle mutazioni di Komagataeibacter Sucrofermentans in grado di produrre fino al 70 per cento di cellulosa in più

I ricercatori dell’ETH hanno trasformato dei batteri in delle micro-fabbriche che producono cellulosa purissima. E ne producono fino al 70 per cento in più rispetto ai loro omologhi non geneticamente modificati.

Dopo aver creato 40mila varianti del batterio Komagataeibacter Sucrofermentans, un microrganismo isolato dall’amarena e in grado di produrre discrete quantità di cellulosa, i ricercatori hanno selezionato quelle più produttive utilizzando un laser capace di scansionare in pochi minuti mezzo milione di gocce.

Il nuovo approccio, spiegano gli scienziati, è versatile e può essere applicato a batteri che producono altri materiali di interesse per l’uomo: non manca che testarlo in condizioni industriali reali.

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I batteri come piccole fabbriche di materiali per il futuro

I microrganismi possono produrre diversi materiali utili per l’uomo, e possono farlo in maniera decisamente sostenibile: cellulosa, seta e minerali prodotti dai batteri sono frutto di un processo che avviene a temperature miti e utilizzando sostanze chimiche non tossiche abbondantemente presenti in natura, e che può essere una valida alternativa ai processi di produzione tradizionali che richiedono risorse ed energia.

Negli ultimi anni, questi microrganismi sono stati ingegnerizzati allo scopo di sintetizzare materiali sostenibili e biocompatibili a base di proteine, come seta, collagene ed elastina, ma anche per la creazione di “materiali viventi” in grado di crescere e auto-ripararsi in risposta agli stimoli ambientali.

La vera sfida, spiegano gli scienziati del Politecnico di Zurigo nello studio appena pubblicato su PNAS, consiste nel selezionare microrganismi che soddisfino le esigenze ingegneristiche alla scala e alla velocità dei processi industriali: “Per produrre materiali in modo efficiente e su larga scala”, si legge, “i microrganismi viventi devono mostrare tratti evoluti per svolgere una funzione biologica che corrisponda ai requisiti di produzione”.

Questo può avvenire tanto in quelli ingegnerizzati quanto in quelli wild-type, cioè al loro stato naturale, ma esistono delle inevitabili discrepanze tra la funzione biologica delle specie e gli obiettivi di produzione desiderati. La promettente strada della biofabbricazione dei materiali richiede quindi “lo sviluppo di altre strategie per la selezione di microrganismi geneticamente programmabili”.

Tra queste, c’è la cosiddetta evoluzione diretta (già ampiamente utilizzata con gli enzimi), un’operazione che accelera il processo iterativo di diversificazione genetica e selezione per uno specifico fenotipo desiderato, di solito inducendo mutazioni casuali o mirate al genoma del microrganismo. Così facendo si ottiene un certo numero di mutanti, tra i quali cercare quelli più produttivi del wild-type. Ed è da queste premesse che nasce il nuovo studio.

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Microrganismi mutanti per produrre molta più cellulosa

Per trasformare i microrganismi in mini-fabbriche viventi esistono tradizionalmente due strade: la prima prevede di eseguire interventi mirati sul genoma dei batteri, la seconda si affida alla coltivazione dei ceppi batterici più adatti allo scopo.

Quello presentato dal team di ricerca guidato da André Studart, professore di Materiali Complessi al Politecnico di Zurigo, è un approccio diverso, che consente di produrre decine di migliaia di varianti del batterio molto rapidamente e di selezionare i ceppi più produttivi.

Gli scienziati si sono concentrati sul Komagataeibacter Sucrofermentans, un batterio aerobio che naturalmente produce cellulosa di elevata purezza, molto richiesta per applicazioni biomediche e per la produzione di imballaggi e materiale tessile.

Questo tipo di cellulosa ha due proprietà molto allettanti: favorisce la guarigione delle ferite e previene le infezioni. “Tuttavia, i batteri crescono lentamente e producono quantità limitate di cellulosa”, spiega Julie Laurent, dottoranda del gruppo di Studart e prima autrice dello studio. “Dovevamo quindi trovare un modo per aumentare la produzione“.

La prima cosa da fare era trovare nuove varianti del batterio wild-type: la ricercatrice ha quindi irradiato le cellule batteriche con della luce UV-C, che danneggia il DNA dei microrganismi in punti casuali, dopodiché ha posto i batteri in una stanza buia per impedire la riparazione del danno al DNA e indurre così le mutazioni. Così si è arrivati a un pool di 40mila mutanti casuali, tra i quali cercare quelli ad alto rendimento.

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Il processo di selezione dei mutanti che producono di più

Utilizzando un apparecchio in miniatura, gli scienziati hanno incapsulato ogni cellula batterica all’interno di una minuscola goccia di soluzione nutritiva creando una piattaforma microfluidica a goccia, e hanno lasciato che le cellule producessero cellulosa per un periodo di tempo specifico. Alla fine di questo periodo di incubazione, le cellule sono state analizzate tramite microscopia a fluorescenza, che ha permesso di individuare quelle che avevano prodotto più cellulosa.

Il team di andré Studart ha selezionato automaticamente le cellule che si erano evolute producendo una quantità eccezionalmente elevata di cellulosa grazie a un sistema di selezione sviluppato dal gruppo del chimico dell’ETH Andrew De Mello, un sistema automatizzato in grado di scansionare e selezionare mezzo milione di gocce con un laser in pochi minuti.

Alla fine del processo di selezione, sono rimaste soltanto 4 “gocce mutanti”, che producevano dal 50 al 70 per cento di cellulosa in più rispetto al wild-type.

Le cellule evolute di Komagataeibacter Sucrofermentans possono produrre cellulosa semplicemente stando immerse in fiale di vetro: visto che si produce nel punto di contatto tra aria e acqua, la cellulosa che si ottiene ha la forma di sottilissimi tappetini che ricalcano la superficie del liquido.

Un tappetino di questo tipo, generalmente, pesa tra i due e i tre milligrammi ed è spesso circa 1,5 millimetri. I tappetini di cellulosa delle nuove varianti evolute, spiegano gli scienziati, sono quasi due volte più pesanti e spessi di quelli prodotti dal wild-type.

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Batteri ad alto rendimento: stessa mutazione nello stesso gene

Julie Laurent e i suoi colleghi hanno analizzato le quattro varianti ad altissimo rendimento anche da un punto di vista genetico, per scoprire quali geni erano stati alterati dalla luce UV-C e in che modo questi cambiamenti avevano portato alla sovrapproduzione di cellulosa.

Ebbene, tutte e quattro le varianti presentavano la stessa mutazione nello stesso gene, che è responsabile di un enzima che degrada le proteine. Con grande sorpresa dei ricercatori, però, i geni che controllano direttamente la produzione di cellulosa non erano cambiati. “Sospettiamo che questa proteasi degradi le proteine che regolano la produzione di cellulosa”, spiega Laurent, “senza questa regolazione, la cellula non può più fermare il processo“.

Il nuovo approccio può essere applicato anche a batteri che producono altri materiali, e non soltanto proteine o enzimi: “Siamo i primi a utilizzare questo approccio per migliorare la produzione di materiali non proteici“, afferma il professor André Studart dell’ETH, “per me questo lavoro è una pietra miliare“.

I ricercatori hanno già richiesto un brevetto per l’approccio e per le varianti batteriche mutate. In futuro, vorrebbero collaborare con aziende produttrici di cellulosa batterica per testare il nuovo microrganismo in condizioni industriali reali.

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