Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

Le plastiche che si degradano naturalmente nell'ambiente sono da tempo un obiettivo per gli scienziati che cercano di sostituire i materiali persistenti che intasano le discariche e gli oceani. Tra i candidati più promettenti vi sono una famiglia di plastiche biodegradabili chiamate poliidrossialcanoati, o PHA. Questi non sono prodotti chimici sintetici fabbricati in laboratorio, ma piuttosto materiali di stoccaggio naturali che certi batteri producono quando hanno più cibo di quanto ne abbiano bisogno. Pensate a questi batteri come a piccole fabbriche che accumulano energia sotto forma di granuli di plastica all'interno delle loro cellule. Le proprietà della plastica risultante dipendono fortemente dai mattoni fondamentali, o monomeri, che compongono la catena. I blocchi più corti creano un materiale rigido e fragile che si spezza facilmente, mentre i blocchi più lunghi introducono flessibilità ed elasticità, rendendo la plastica più simile alla gomma. Per decenni, i ricercatori hanno faticato a far sì che i batteri più efficienti producessero questi blocchi più lunghi e flessibili, limitando la gamma di applicazioni per questi materiali ecologici.

Un team di ricercatori presso l'Agenzia Nazionale per lo Sviluppo della Scienza e della Tecnologia in Thailandia ha compiuto un passo significativo nel risolvere questo problema. Hanno lavorato con un batterio molto conosciuto chiamato Cupriavidus necator, famoso per la sua capacità di trasformare vari scarti in plastica. Tuttavia, questo batterio nativo produce naturalmente solo i blocchi corti e fragili. Per cambiare questo, gli scienziati hanno ingegnerizzato il batterio aggiungendo un gene specifico proveniente da un altro tipo di batterio, il Pseudomonas putida, noto per la sua capacità di assemblare i blocchi più lunghi e flessibili. Questa modifica genetica ha creato un nuovo ceppo, che i ricercatori hanno chiamato mcl-C19. Quando questo nuovo ceppo è stato nutrito con una miscela di melassa e olio di cucina usato, ha iniziato a produrre una plastica ibrida contenente sia i blocchi corti e rigidi, sia quelli più lunghi e flessibili. Questa combinazione ha dato origine a un materiale con una gamma più ampia di proprietà, rendendolo potenzialmente utile per molte più applicazioni rispetto alle versioni fragili prodotte dai batteri originali.

I ricercatori non si sono fermati alla semplice creazione del nuovo ceppo; hanno anche sviluppato una specifica strategia di alimentazione per massimizzare la produzione. I batteri hanno bisogno di una dieta equilibrata per far crescere le loro cellule, ma iniziano ad accumulare plastica solo quando vengono privati di certi nutrienti pur avendo ancora abbondanza di carbonio. Per sfruttare questo aspetto, il team ha utilizzato un processo in due fasi. Nella prima fase, hanno nutrito i batteri con una miscela ricca di nutrienti per aiutarli a moltiplicarsi rapidamente e costruire una grande popolazione. Una volta raggiunta un'alta popolazione, sono passati alla seconda fase, in cui hanno aggiunto impulsi di cibo ricco di carbonio — specificamente melassa e olio di palma usato — senza aggiungere azoto extra. Questo ha creato un ambiente sbilanciato che ha costretto i batteri a deviare la loro energia nella produzione di plastica invece che nella crescita di nuove cellule. Controllando attentamente questo processo in un grande serbatoio, i batteri ingegnerizzati hanno accumulato una quantità massiccia di plastica, raggiungendo una concentrazione di 13 grammi per litro, il che rappresentava quasi la metà del peso totale delle cellule.

Ciò che rende questo traguardo particolarmente degno di nota è la diversità della plastica prodotta. I batteri ingegnerizzati non hanno prodotto solo un tipo di blocco lungo; hanno creato una miscela complessa contenente sei diversi tipi di blocchi, che vanno da catene corte di quattro atomi di carbonio a catene più lunghe di dieci. La miscela specifica di questi blocchi cambiava a seconda di come venivano nutriti i batteri. Quando i ricercatori hanno utilizzato un semplice processo a lotti in cui tutto veniva aggiunto in una volta sola, la plastica aveva una composizione. Quando hanno utilizzato il metodo di alimentazione a impulsi in due fasi, le proporzioni dei diversi blocchi sono cambiate. Ciò suggerisce che gli scienziati possono regolare finemente le proprietà fisiche della plastica — rendendola più rigida o più elastica — semplicemente regolando il programma di alimentazione e il tipo di scarto alimentare utilizzato. Lo studio ha confermato che l'uso di una miscela di melassa e olio di palma usato era il modo più efficace per generare i desiderati blocchi a catena lunga, con il nuovo ceppo che produceva quattro volte più componenti flessibili rispetto al ceppo genitore non modificato.

Il lavoro ha anche dimostrato che questo processo può essere scalato da piccoli flaconi a grandi bioreattori industriali senza perdere efficienza. I risultati in un serbatoio da due litri sono stati quasi identici a quelli ottenuti in contenitori più piccoli, indicando che il metodo è abbastanza robusto per una produzione su larga scala. Sebbene la quantità di plastica prodotta fosse elevata, i ricercatori hanno osservato che la percentuale del peso cellulare costituita dalla plastica poteva ancora essere migliorata. Hanno riconosciuto che potrebbero essere necessarie ulteriori modifiche genetiche per spingere i batteri a convertire ancora più delle loro risorse in plastica anziché in altri componenti cellulari. Tuttavia, i risultati attuali mostrano che combinando una semplice modifica genetica con una smart strategia di alimentazione, è possibile trasformare materiali di scarto comuni in una plastica biodegradabile e versatile con proprietà che possono essere adattate a esigenze specifiche. Questo approccio offre una via pratica verso un'economia basata sulla bio-massa dove la produzione di plastica si basa su risorse rinnovabili e genera materiali che possono tornare in sicurezza nell'ambiente.