Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

Le piante sono chimiste magistrali, capaci di creare costantemente molecole complesse che le proteggono dal sole, combattono le infezioni e conferiscono loro i colori. Tra queste creazioni chimiche figurano i flavonoidi, una diversificata famiglia di composti presenti in frutta, verdura e fiori. Gli esseri umani hanno da tempo apprezzato queste sostanze per i loro potenziali benefici per la salute, utilizzandole in alimenti, medicinali e cosmetici. Per decenni, i modi principali per ottenere i flavonoidi sono stati l'estrazione dalle piante o la loro costruzione da zero in laboratorio. Entrambi i metodi presentano svantaggi significativi: estrarli dalle colture è spesso inefficiente e limitato dalle stagioni, mentre la sintesi chimica può essere costosa e ambientalmente dispendiosa.

Negli ultimi anni, gli scienziati si sono rivolti a minuscole fabbriche viventi chiamate microbi per produrre questi composti. Inserendo geni vegetali in batteri o lieviti, i ricercatori possono programmare queste cellule per fabbricare flavonoidi specifici. Tuttavia, la maggior parte di queste fabbriche microbiche viene nutrita con zuccheri semplici, come il glucosio. Per trasformare lo zucchero in un flavonoide, il microbo deve prima costruire da zero una complessa struttura ad anello aromatico, un processo che richiede molti passaggi genetici e consuma molta dell'energia cellulare. Ciò rende il processo lungo e difficile da controllare. Un approccio più diretto sarebbe quello di nutrire i microbi con i mattoni aromatici di cui hanno bisogno, saltando la fase iniziale di costruzione. La natura fornisce questi blocchi in abbondanza all'interno della lignina, un polimero legnoso e resistente che conferisce agli alberi la loro rigidità. Quando il legno viene scomposto, rilascia una miscela di composti aromatici che sono chimicamente molto simili ai precursori che le piante usano per produrre i flavonoidi. La sfida è stata trovare un microbo che non solo potesse "mangiare" questi resistenti composti aromatici, ma anche tollerare le condizioni difficili della scomposizione del legno, il tutto pur essendo facile da ingegnerizzare per la produzione.

Un team di ricercatori presso l'Università di Tampere, in Finlandia, ha affrontato con successo questa sfida rivolgendosi a un batterio chiamato Acinetobacter baylyi ADP1. A differenza dei comuni batteri da laboratorio spesso usati in questi studi, questo organismo possiede naturalmente la capacità di consumare una vasta gamma di composti aromatici presenti nel legno. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di sfruttare questa capacità naturale per trasformare direttamente i materiali derivati dalla lignina in preziosi flavonoidi. Il loro scopo era creare una singola piattaforma microbica in grado di produrre diversi tipi di flavonoidi semplicemente cambiando il tipo di alimento derivato dal legno fornito, senza la necessità di riprogrammare il codice genetico del batterio per ogni nuovo prodotto.

Il team ha iniziato testando se fosse possibile far produrre al batteria l'homoeriodictyol, un flavonoide specifico spesso utilizzato nell'alimentazione e nella medicina. Questa molecola è tipicamente prodotta da un precursore chiamato ferulato. I ricercatori hanno inizialmente cercato di modificare gli enzimi esistenti del batterio affinché accettassero il ferulato, sperando che un piccolo aggiustamento genetico permettesse alla cellula di elaborare questo nuovo ingrediente. Hanno alterato parti specifiche dell'enzima responsabile della costruzione della struttura del flavonoide, ma queste modifiche non hanno funzionato; il batterio non riusciva a produrre la molecola desiderata. Rendendosi conto che piccoli ritocchi erano insufficienti, i ricercatori hanno cambiato strategia. Invece di modificare l'enzima esistente, hanno cercato una versione diversa dell'enzima proveniente da una diversa specie vegetale che fosse naturalmente capace di gestire il ferulato. Trovarono un corrispondenza in una pianta chiamata Stenoloma chusanum. Quando hanno sostituito l'enzima batterico originale con questo nuovo enzima vegetale, il batterio ha iniziato immediatamente a produrre homoeriodictyol. Questa scoperta ha evidenziato un principio chiave: a volte la soluzione più efficace non è forzare uno strumento esistente a svolgere un nuovo compito, ma trovare uno strumento che è già stato progettato per esso.

Con questa nuova combinazione enzimatica, i ricercatori hanno ottimizzato le condizioni di crescita per massimizzare la produzione. Hanno scoperto che i batteri performavano meglio quando nutriti con una quantità moderata del precursore e crescevano a una temperatura specifica. In queste condizioni, i batteri producevano 3,7 milligrammi per litro di homoeriodictyol in un pallone di vetro. Ma il team non si è fermato qui. Volevano vedere se questa stessa configurazione potesse produrre altri flavonoidi. Hanno introdotto un diverso composto aromatico, il caffeato, nella coltura. Sorprendentemente, lo stesso identico ceppo di batteri, con la stessa identica configurazione genetica, ha cambiato marcia e ha iniziato a produrre un altro flavonoide, l'eriodictyol. In questo caso, i batteri hanno prodotto 24,2 milligrammi per litro, una quantità significativamente superiore rispetto a prima. Ciò ha dimostrato che l'output dei batteri era interamente dettato dal cibo fornito. Se nutriti con ferulato, producevano un prodotto; se nutriti con caffeato, ne producevano un altro.

Per testare il sistema in condizioni più realistiche, i ricercatori hanno spostato i batteri in un bioreattore, un contenitore più grande utilizzato per la fermentazione su scala industriale. Hanno nutrito i batteri con una miscela di tre diversi composti aromatici presenti nel legno: ferulato, caffeato e p-cumarato. I batteri hanno convertito con successo questa "zuppa" mista in un cocktail di tre diversi flavonoidi simultaneamente. Sebbene la quantità totale di prodotto fosse inferiore rispetto alla somministrazione di un singolo ingrediente, probabilmente a causa della competizione tra i diversi percorsi metabolici per le risorse, il risultato ha dimostrato che il sistema poteva gestire miscele complesse. Questo è un passo cruciale, poiché i rifiuti legnosi reali non sono mai un singolo composto puro, ma una miscela complessa.

Infine, il team ha testato il sistema con sottoprodotti industriali reali. Hanno preso paglia di frumento e un tipo di legno lavorato chiamato lignina organosolv, li hanno trattati con un processo chimico per scomporli e hanno raccolto il liquido risultante. Questo liquido, noto come liquido alcalino pretrattato, contiene una miscela naturale di composti aromatici ma anche molti altri impurità che possono essere tossiche per la maggior parte dei batteri. I ricercatori hanno aggiunto questo liquido complesso alle loro colture batteriche. Nonostante l'ambiente disordinato e impegnativo, i batteri sono prosperati e hanno prodotto flavonoidi. Sono riusciti a convertire i composti presenti nei liquidi della paglia di frumento e della lignina nelle molecole target, dimostrando che il sistema funziona non solo con prodotti chimici puri in laboratorio, ma anche con i flussi di rifiuti effettivi generati dalle industrie forestali e agricole.

Lo studio conclude che l'Acinetobacter baylyi ADP1 è una piattaforma altamente versatile per la produzione sostenibile. Sfruttando la capacità naturale del batterio di consumare composti aromatici, i ricercatori hanno bypassato la necessità per i batteri di costruire queste strutture da zero. Questo approccio consente un sistema di produzione flessibile in cui il prodotto finale è determinato dal materiale di partenza. Se una fabbrica ha un surplus di un certo tipo di composto derivato dal legno, i batteri possono essere nutriti con esso per produrre un flavonoide specifico; se la fornitura cambia, lo stesso batterio può essere nutrito con un diverso composto chimico per produrre un prodotto differente, tutto senza ulteriore ingegneria genetica. Questo lavoro stabilisce un collegamento diretto tra la valorizzazione della lignina, un materiale spesso bruciato per produrre combustibile, e la produzione di prodotti naturali ad alto valore, offrendo una strada promettente verso una bioeconomia più circolare ed efficiente.