Un approccio sostenibile alla trasformazione delle risorse vegetali rinnovabili in materiali non basati su combustibili fossili
Svariati paesi si stanno unendo nella lotta ai cambiamenti climatici con l’obiettivo di ridurre drasticamente le emissioni di gas a effetto serra entro il 2030 e di azzerare le emissioni nette entro il 2050. Un importante passo verso il raggiungimento di questo obiettivo è la costruzione di economie basate su risorse rinnovabili. I sistemi biologici riciclano naturalmente le emissioni di gas serra generando una serie di sostanze chimiche e materiali; la bioproduzione sfrutta questa capacità impiegando microrganismi ed enzimi al fine di trasformare le biorisorse rinnovabili in carburanti, prodotti chimici di piattaforma e alternative a base biologica alla plastica. Entro il 2030, si prevede che le biotecnologie alla base di queste innovazioni produrranno oltre il 35% delle sostanze chimiche e dei materiali che utilizziamo tutti i giorni. Il progetto BioUPGRADE(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha integrato la biologia computazionale, la genomica e le scienze dei materiali per sviluppare il potenziale delle biotecnologie nella produzione sostenibile, concentrandosi sui biocatalizzatori (enzimi) in grado di convertire le fibre rinnovabili in prodotti ad alto valore.
Trasformare, non degradare
«Abbiamo puntato allo sviluppo di biocatalizzatori che, invece di degradarle, trasformano le biorisorse rinnovabili in materiali preziosi», spiega Emma Master, la coordinatrice del progetto. «Tradizionalmente, gli enzimi utilizzati nella lavorazione della biomassa sono progettati per degradare il materiale vegetale in zuccheri, che vengono successivamente fermentati in combustibili e sostanze chimiche; questo paradigma incentrato sulla decomposizione, tuttavia, è costoso, nonché inefficiente in termini di economia dell’atomo.» Gli enzimi avanzati di BioUPGRADE, invece, adattano la struttura naturale della biomassa per renderla idonea a una più ampia gamma di modalità d’impiego, come i materiali da imballaggio, gli inchiostri conduttivi per la bioelettronica e gli idrogel per la salute e la cura personale. «Questo approccio migliora l’efficienza dei materiali e riduce l’impatto ambientale rispetto ai processi chimici tradizionali», aggiunge Master.
Utilizzare le risorse naturali in maniera migliore
Un’attività di ricerca fondamentale svolta nell’ambito del progetto è stata la progettazione di biocatalizzatori in grado di modificare la struttura e le proprietà chimiche di materiali naturali come la cellulosa, l’emicellulosa e la chitina, fine che i ricercatori hanno raggiunto analizzando set di dati genomici sia di dominio pubblico che riservati. L’équipe ha utilizzato tecniche avanzate come il confronto di genomi tra specie diverse genomica comparativa(si apre in una nuova finestra), la ricostruzione di antiche sequenze di enzimi ricostruzione delle sequenze ancestrali(si apre in una nuova finestra) e l’esecuzione di simulazioni molecolari per comprendere le modalità di funzionamento di questi enzimi. Un risultato fondamentale è stata la realizzazione di un quadro computazionale che permette di progettare proteine multifunzionali personalizzate e aiuta a identificare le caratteristiche biofisiche chiave degli enzimi che agiscono sulle superfici dei materiali. «La precisione nella progettazione e nell’implementazione di schermi funzionali guidati dalle applicazioni è fondamentale per qualsiasi struttura di sviluppo di biocatalizzatori», afferma Master. «A tal fine, abbiamo creato piattaforme su microscala che consentono di identificare biocatalizzatori in grado di modificare con accuratezza le proprietà fisiche, come la carica superficiale, la porosità e il comportamento di flusso, nonché le caratteristiche chimiche, come l’aggiunta di gruppi carbonilici o amminici, dei polisaccaridi strutturali.»
Rivitalizzare enzimi ancestrali per nuove applicazioni
Un importante esempio dello sviluppo di biocatalizzatori è la progettazione e la sperimentazione di enzimi ancestrali, tra cui le espansine, le endoglucanasi e le monoossigenasi litiche dei polisaccaridi, versioni ancestrali che presentavano proprietà uniche non presenti negli enzimi moderni, offrendo di conseguenza vantaggi per le applicazioni biotecnologiche. Notevoli sforzi sono stati dedicati anche allo sviluppo su larga scala della produzione di proteine. I ricercatori hanno prodotto espansine microbiche in bioreattori da 5 a 200 L, fornendo materiale sufficiente per le sperimentazioni iniziali di applicazione nella lavorazione della fibra di cellulosa: l’approccio esporta la proteina direttamente nell’ambiente extracellulare, consentendo rese elevate senza la necessità di complesse fasi di purificazione. La collaborazione interdisciplinare realizzata nel quadro di BioUPGRADE ha portato allo sviluppo di tecnologie più mirate, adattabili e prevedibili per la creazione di materiali funzionali. A differenza dei metodi tradizionali, che trasformano i materiali vegetali in zuccheri, il progetto utilizza gli enzimi allo scopo di modificare selettivamente la biomassa sottoutilizzata anziché convertirla in zuccheri, aumentando l’efficienza delle risorse e favorendo il riutilizzo, a supporto di una bioeconomia più sostenibile.