Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
Questo studio dimostra che combinare l'ingegneria inversa dei geni *ptsG* e *rbsR* con la sovraespressione razionale degli operoni del metabolismo dello xilosio nel batterio termofilo *Parageobacillus thermoglucosidasius* supera efficacemente la repressione da catabolite di carbonio, consentendo un'efficiente co-utilizzazione di glucosio-xilosio e aumentando significativamente le rese di lattato nelle fermentazioni in bioreattore.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Immaginate un mondo in cui il combustibile per le nostre fabbriche non provenga da colture alimentari come il mais o la canna da zucchero, ma dagli scarti fibrosi e resistenti delle piante: gli steli del grano, le bucce del riso e i trucioli di legno lasciati dai disboscamenti. Questo materiale, noto come lignocellulosa, è abbondante e non compete con la nostra produzione alimentare, rendendolo una risorsa ideale per la creazione di plastiche e prodotti chimici sostenibili. Tuttavia, trasformare questa dura materia vegetale in prodotti utili è difficile. Quando gli scienziati scompongono queste fibre, rilasciano una miscela di due zuccheri principali: glucosio e xilosio. Mentre molti microbi possono consumare facilmente il glucosio, spesso ignorano lo xilosio, aspettando che il glucosio sia esaurito prima di iniziare a consumare il secondo zucchero. Questo gioco d'attesa rallenta la produzione e spreca tempo. Per risolvere il problema, i ricercatori stanno cercando microbi che possano mangiare entrambi gli zuccheri contemporaneamente, specialmente quelli che prosperano in ambienti caldi, dove la scomposizione delle fibre vegetali avviene in modo più efficiente.
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di ingegnerizzare un batterio amante del calore chiamato Parageobacillus thermoglucosidasius per superare questa preferenza alimentare. Questo microbo è già un forte candidato per l'uso industriale perché cresce meglio a temperature comprese tra 60 e 65 gradi Celsius, il che corrisponde al calore necessario per scomporre le fibre vegetali. Gli scienziati volevano riprogrammare le sue istruzioni interne in modo che consumasse glucosio e xilosio insieme, invece di uno dopo l'altro. Iniziarono esaminando un esperimento precedente in cui i batteri si erano evoluti naturalmente per mangiare entrambi gli zuccheri quando costretti a farlo. Studiando le modifiche genetiche in quei batteri evoluti, il team ha identificato due mutazioni specifiche che sembravano responsabili del nuovo comportamento. Una mutazione alterava una proteina che aiuta la cellula ad afferrare il glucosio, e l'altra rimuoveva un "freno" genetico che normalmente impedisce alla cellula di produrre trasportatori per altri zuccheri.
I ricercatori hanno poi ricostruito queste esatte modifiche in una versione standard del batterio per vedere se potevano ricreare il comportamento migliorato. Hanno creato tre nuovi ceppi: uno con la proteina che afferra il glucosio alterata, uno con il freno rimosso e uno con entrambe le modifiche combinate. Hanno anche provato un approccio diverso, costringendo i batteri a produrre costantemente il macchinario necessario per mangiare lo xilosio, indipendentemente dalla presenza di altri zuccheri. Quando hanno testato questi nuovi ceppi in ambienti controllati, i risultati hanno mostrato che le modifiche genetiche funzionavano, ma in modi diversi. Il ceppo con la proteina del glucosio alterata mangiava entrambi gli zuccheri a una velocità simile. Il ceppo con il freno rimosso mangiava entrambi gli zuccheri insieme, sebbene crescesse più lentamente nel complesso. Il ceppo con entrambe le modifiche combinate si è comportato in modo sorprendente, preferendo effettivamente lo xilosio rispetto al glucosio, un ribaltamento completo dell'ordine normale.
Per capire perché siano avvenuti questi cambiamenti, il team ha guardato all'interno delle cellule per vedere quali proteine venivano prodotte. Hanno scoperto che le mutazioni hanno causato l'arresto della soppressione dei geni per il consumo dello xilosio, permettendo alla cellula di produrre gli strumenti necessari per consumarlo anche in presenza di glucosio. Il ceppo con il freno rimosso mostrava un calo significativo delle proteine responsabili dell'afferrare il glucosio, il che probabilmente ha rallentato il consumo di questo zucchero permettendo allo xilosio di essere consumato contemporaneamente. I ricercatori hanno anche testato quanto bene questi batteri potessero produrre acido lattico, un prodotto chimico utilizzato per realizzare plastiche biodegradabili, da una miscela dei due zuccheri. Gli ceppi ingegnerizzati hanno ottenuto prestazioni migliori rispetto ai batteri originali non modificati. Il ceppo con il freno rimosso ha prodotto la maggiore quantità di acido lattico rispetto allo zucchero consumato, raggiungendo una resa del 72,76 percento, rispetto al 56,76 percento del ceppo originale. Un altro ceppo, che era stato costretto a produrre costantemente il macchinario per mangiare lo xilosio, ha anch'esso mostrato risultati solidi, producendo una resa del 63 percento.
Lo studio suggerisce che, sebbene semplicemente forzare i batteri a produrre più strumenti per mangiare lo xilosio abbia aiutato, il modo più efficace per farli mangiare entrambi gli zuccheri insieme sia stato cambiare il modo in cui percepiscono e consumano il glucosio. Rallentando l'assunzione dello zucchero preferito, i batteri sono stati in grado di accedere al secondo zucchero molto prima. Questo approccio ha permesso al team di creare una fabbrica microbica che lavora in modo più efficiente sugli scarti vegetali. Le scoperte indicano che, effettuando piccoli e specifici cambiamenti nel codice genetico dei batteri, è possibile sbloccare tutto il potenziale delle materie prime vegetali, trasformando una complessa miscela di zuccheri in prodotti preziosi senza i lunghi ritardi causati dalle naturali abitudini alimentari dei batteri. Il lavoro fornisce una via chiara per migliorare il modo in cui utilizziamo le risorse rinnovabili per costruire i materiali del futuro.
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