Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

La luce solare è il motore che alimenta la vita nell'oceano, ma per le minuscole piante monocellulari note come microalghe, troppo di una buona cosa può diventare un problema. Questi organismi microscopici si affidano a un pigmento verde chiamato clorofilla per catturare l'energia luminosa e convertirla in cibo e crescita. Tuttavia, quando queste cellule crescono ammassate in un grande serbatoio, la loro alta concentrazione di pigmento verde crea una barriera. Le cellule all'esterno assorbono quasi tutta la luce, proiettando un'ombra profonda che affama le cellule al centro. Questo fenomeno, spesso chiamato "effetto ombra", limita quanto la biomassa dell'intera coltura possa produrre, rendendo difficile far crescere questi organismi in modo efficiente su larga scala per combustibili o altri prodotti.

Gli scienziati cercano da tempo modi per superare questo limite trovando o creando ceppi di microalghe che non abbiano bisogno di tanta clorofilla per sopravvivere. Se un ceppo potesse crescere con meno pigmento verde, permetterebbe alla luce di penetrare più in profondamente nella coltura, consentendo a più cellule di crescere simultaneamente e aumentando il raccolto totale. Un team di ricercatori presso l'Università Tecnica di Creta, in Grecia, ha affrontato recentemente questa sfida lavorando su un tipo specifico di microalga a forma di bastoncello chiamato Stichococcus. Il loro obiettivo era creare una versione di questo organismo che produca naturalmente meno clorofilla ma che cresca più velocemente e produca sostanze chimiche più preziose, come oli e zuccheri, rispetto ai suoi corrispettivi selvatici.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata mutagenesi chimica. Hanno esposto una coltura di Stichococcus selvatico a una sostanza chimica nota come etil metansolfonato, che agisce come un "randomizzatore" per il codice genetico dell'organismo. Questo processo introduce piccoli cambiamenti imprevedibili nel DNA delle cellule. L'obiettivo non era progettare un cambiamento specifico, ma generare una vasta gamma di mutazioni casuali e poi setacciare i sopravvissuti per trovare quelli che, per caso, avevano meno clorofilla. Il team ha regolato attentamente la concentrazione della sostanza chimica per garantire che solo circa il cinque per cento delle cellule sopravvivesse al trattamento, un livello di stress che incoraggia l'emergere di nuovi tratti senza eliminare l'intera popolazione.

Dopo il trattamento chimico, i ricercatori hanno piastrato le cellule sopravvissute su piastre di agar solido e hanno atteso che crescessero in colonie visibili. Hanno cercato colonie che apparissero più chiare nel colore rispetto al verde intenso del ceppo selvatico originale. Da queste, hanno selezionato due ceppi specifici, che hanno chiamato EMS1 e EMS2, perché apparivano i più pallidi. Per confermare che questi colori più chiari fossero un cambiamento genetico permanente e non solo una reazione temporanea, il team ha fatto crescere questi ceppi per tre generazioni in acqua di mare liquida. Hanno poi confrontato le prestazioni di questi nuovi mutanti contro il tipo selvatico originale in condizioni identiche, misurando quanta biomassa producevano, quanta clorofilla contenevano e quanti oli e carboidrati immagazzinavano.

I risultati hanno mostrato un chiaro vantaggio per i ceppi mutati. Il miglior esecutore, il ceppo EMS1, è cresciuto significativamente più velocemente e ha prodotto più biomassa totale rispetto al tipo selvatico. Al termine dell'esperimento di due settimane, la coltura EMS1 ha raggiunto una densità di 2,47 grammi per litro, mentre il tipo selvatico ha raggiunto solo 2,20 grammi per litro. Ancora più importante, il ceppo EMS1 conteneva significativamente meno clorofilla. Mentre il tipo selvatico conteneva circa 11 milligrammi di clorofilla per grammo di biomassa secca, il mutante EMS1 ne conteneva solo circa 6,29 milligrammi. Questa riduzione del pigmento ha confermato che la mutazione aveva alterato con successo la capacità dell'organismo di raccogliere la luce, permettendo potenzialmente di crescere in modo più efficiente in colture dense dove la penetrazione della luce è limitata.

Oltre a crescere più velocemente e ad avere meno pigmento verde, il ceppo mutante ha anche mostrato una promettente capacità di produrre materiali industriali preziosi. I ricercatori hanno scoperto che il ceppo EMS1 immagazzina più lipidi, ovvero grassi che possono essere convertiti in biocarburanti, e più carboidrati, che possono essere utilizzati per altri prodotti chimici. Il contenuto di lipidi nel ceppo EMS1 è salito al 21 percento del suo peso secco, rispetto al 15 percento del tipo selvatico. Allo stesso modo, il contenuto di carboidrati è aumentato al 44 percento del peso secco, rispetto al 28 percento del ceppo originale. La quantità di proteine nelle cellule è rimasta approssimativamente la stessa in tutti i gruppi, indicando che la mutazione ha effettivamente stimolato la produzione di composti che immagazzinano energia senza sacrificare i componenti strutturali di base della cellula.

Lo studio conclude che questo processo di mutazione chimica è un metodo praticabile per migliorare i ceppi di microalghe per la produzione su larga scala. Il ceppo EMS1, con il suo minor contenuto di clorofilla e la maggiore resa di biomassa e sostanze chimiche preziose, rappresenta un passo avanti significativo. I ricercatori intendono utilizzare questo specifico ceppo in futuri esperimenti che coinvolgono fotobioreattori a biofilm, sistemi in cui le alghe crescono su superfici solide invece di galleggiare liberamente. Utilizzando un ceppo che permette alla luce di viaggiare più in profondità nella coltura, sperano di catturare l'anidride carbonica dai fumi industriali e convertirla in prodotti di alto valore in modo più efficiente, trasformando un gas di scarto in una risorsa con costi di coltivazione inferiori.