Production, Purification and Characterization of Thermostable Amylase from Thermophilic Bacteria Isolated from Water and Sediments of Wanzaye Hot Spring, Ethiopia

Nel mondo della produzione industriale, gli enzimi agiscono come gli strumenti stessi della natura, accelerando reazioni chimiche che altrimenti richiederebbero troppo tempo o condizioni estreme. Tra questi, le amilasi sono particolarmente preziose perché scompongono l'amido, una comune fonte di energia presente nelle piante, in zuccheri più semplici. Sebbene questi enzimi siano utili, molti si degradano o smettono di funzionare quando la temperatura sale, il che ne limita l'uso in processi che richiedono calore. È qui che entrano in gioco i batteri termofili, ovvero amanti del calore. Si trovano in ambienti estremi come le sorgenti termali e questi microrganismi producono enzimi che rimangono stabili e attivi anche ad alte temperature. Gli scienziati cercano da tempo di sfruttare questi robusti catalizzatori biologici per migliorare l'efficienza in industrie che vanno dalla lavorazione alimentare alla produzione di detergenti, ma molte regioni con attività geotermica rimangono in gran parte inesplorate per queste specifiche risorse.

I ricercatori in Etiopia hanno rivolto la loro attenzione alla sorgente termale di Wanzaye, un sito geotermico naturale nella parte nord-occidentale del paese, per indagare se le sue acque e i suoi sedimenti ospitassero batteri capaci di produrre tali enzimi termostabili. Il team ha raccolto campioni dalla sorgente, che si trova in un clima fresco e sub-umido ma emette acqua a una temperatura di 42 gradi Celsius. Riscaldando i campioni a 80 gradi Celsius, hanno filtrato i batteri e i funghi comuni, lasciando dietro di sé solo i resistenti termofili formatori di spore. Da questi sopravvissuti, hanno isolato venti distinte colonie batteriche e le hanno sottoposte a screening per la loro capacità di dissolvere l'amido. Otto di queste hanno mostrato una forte attività e quattro ceppi specifici, chiamati WA7, WA10, WA11 e WA12, sono stati selezionati per uno studio più approfondito. Tutti e quattro sono stati identificati come appartenenti al genere Bacillus, un gruppo di batteri noto per la sua resilienza e la capacità di formare spore protettive.

Per produrre gli enzimi, i ricercatori hanno fatto crescere questi batteri utilizzando un metodo chiamato fermentazione in stato solido, che consiste nel coltivare i microbi su scarti agricoli solidi anziché in un liquido. Hanno testato tre materiali diversi: crusca di frumento, crusca di riso e buccia di banana. I risultati hanno mostrato che la crusca di frumento era la scelta superiore, supportando la più alta produzione di enzimi. Il team ha determinato che i batteri crescevano meglio e producevano più enzimi se mantenuti a una temperatura di 55 gradi Celsius con un pH neutro di 7, e che il momento ottimale per raccogliere l'enzima era dopo 72 ore di crescita. Una volta svolto il lavoro dai batteri, i ricercatori hanno estratto la miscela enzimatica grezza e l'hanno purificata utilizzando un processo che prevedeva l'aggiunta di sale per precipitare le proteine e poi il lavaggio per rimuovere le impurità. Questo passaggio di purificazione ha aumentato la concentrazione dell'enzima attivo, rendendolo più efficace.

Gli enzimi purificati sono stati poi sottoposti a una serie di test per comprenderne le capacità. L'analisi ha rivelato che gli enzimi avevano una dimensione di circa 50 kilodalton, una misura del peso molecolare, e che scomponevano l'amido principalmente in maltosio, un tipo di zucchero. Testati per la tolleranza al calore, gli enzimi si sono dimostrati eccezionalmente robusti. Hanno raggiunto il picco delle loro prestazioni a temperature comprese tra 65 e 70 gradi Celsius, a seconda del ceppo batterico specifico. Ancora più impressionante, dopo essere rimasti a temperature compresi tra 40 e 80 gradi Celsius per un'ora, gli enzimi hanno mantenuto più del 76,8 percento della loro attività originale. Hanno inoltre mostrato stabilità attraverso un ampio intervallo di livelli di acidità, funzionando bene in condizioni che vanno da leggermente acide a leggermente alcaline.

Forse la dimostrazione più pratica del loro potenziale riguardava l'amido grezzo di enset, un alimento base in Etiopia. I ricercatori hanno mescolato l'amido purificato con la polvere di enset grezza e hanno scoperto che gli enzimi potevano convertire l'amido in zuccheri fermentabili con un'efficienza superiore al 70 percento per tutti e quattro i ceppi, con il miglior performer che raggiungeva quasi il 91 percento. Ciò suggerisce che questi enzimi potrebbero essere utilizzati per processare direttamente l'amido grezzo, un processo che è spesso difficile e dispendioso in termini di energia. Lo studio conclude che la sorgente termale di Wanzje è una fonte preziosa e precedentemente sottoutilizzata di batteri industrialmente rilevanti. Utilizzando scarti agricoli economici come la crusca di frumento per far crescere questi microbi, i ricercatori hanno dimostrato un modo conveniente per produrre enzimi in grado di resistere alle alte temperature richieste dalle moderne industrie di lavorazione dell'amido, offrendo una via sostenibile per la produzione locale e globale.