The growth characteristics and metabolic profiling of Δ 5,7 -sterols and fatty acids in Schizochytrium sp. S31 under different culture conditions

Nel profondo del mondo microscopico dell'oceano, un gruppo di organismi unicellulari noti come traustotricidi svolge un ruolo silenzioso ma vitale. Questi minuscoli eterotrofi, che non possono produrre il proprio cibo come le piante ma consumano invece materia organica, agiscono come essenziali riciclatori negli ecosmi marini. Essi decompongono la materia morta e contribuiscono al ciclo del carbonio, eppure hanno recentemente catturato l'attenzione degli scienziati per un motivo diverso: la loro capacità di fabbricare nutrienti ad alto valore. Tra questi nutrienti figurano gli acidi grassi a catena lunga, come l'acido docosaesaenoico (DHA), fondamentale per la salute del cervello e del cuore umano, e gli steroli, molecole cerose che aiutano a costruire e stabilizzare le membrane cellulari. Alcuni di questi organismi producono anche astaxantina, un potente pigmento antiossidante che conferisce ai salmoni e ai fenicotteri il loro colore rosa. La sfida per i ricercatori è stata capire come indurre queste fabbriche microscopiche a produrre questi composti preziosi in modo efficiente, poiché la loro produzione dipende fortemente dall'ambiente in cui vengono coltivati.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di mappare le precise condizioni ambientali necessarie per massimizzare la produzione di questi tre distinti composti in un ceppo specifico di traustotricide chiamato Schizochytrium sp. S31. Si sono concentrati su tre variabili chiave: la quantità di zucchero (glucosio) disponibile come cibo, la salinità dell'acqua e il livello di acidità (pH). Regolando sistematicamente ciascuno di questi fattori in laboratorio, hanno osservato come le cellule crescessero e come la loro composizione chimica interna cambiasse. L'obiettivo non era solo far crescere più cellule, ma trovare il "punto ideale" in cui l'organismo avrebbe prodotto simultaneamente elevate quantità di steroli, DHA e astaxantina, piuttosto che uno solo a scapito degli altri.

I ricercatori hanno scoperto che, sebbene lo zucchero e l'acidità fossero importanti, la salinità dell'acqua fosse la leva più potente per cambiare il profilo chimico della cellula. Quando la coltura veniva fatta crescere in condizioni di bassa salinità, specificamente a una concentrazione di 10 grammi di sale marino per litro, le cellule raggiungevano i loro livelli massimi di acidi grassi totali e DHA. In questo ambiente, un tipo specifico di sterolo chiamato ergosterolo costituiva la porzione maggiore del contenuto di steroli cellulari, rappresentando il 41 percento. Tuttavia, all'aumentare della concentrazione di sale, le cellule cambiavano strategia. Iniziavano a produrre un tipo diverso di sterolo, noto come C28-Δ5,7, che diventava la forma dominante in condizioni di maggiore salinità. Questo spostamento suggerisce che le cellule stiano attivamente rimodellando la loro struttura interna per sopravvivere allo stress di un ambiente più salino, proprio come una persona potrebbe regolare i propri vestiti quando cambia il tempo.

Lo studio ha anche rivelato che le cellule hanno un limite alla quantità di zucchero che possono processare. La biomassa massima, ovvero il peso cellulare totale, veniva raggiunta quando la coltura conteneva 60 grammi di glucosio per litro. Aggiungere più zucchero oltre questo punto non aiutava le cellule a crescere; anzi, le ostacolava leggermente, probabilmente perché l'alta concentrazione di zucchero creava uno stress fisico che rendeva più difficile per le cellule assorbire i nutrienti. Interessante notare che la relazione tra i diversi nutrienti era complessa. Mentre i bassi livelli di sale favorivano la produzione di acidi grassi e DHA, essi sopprimevano l'astaxantina. Al contrario, livelli di sale più elevati sembravano incoraggiare un leggero aumento di astaxantina, anche se i livelli di DHA diminuivano. Ciò indica che le vie utilizzate dalle cellule per produrre queste sostanze sono collegate ma possono essere deviate in direzioni diverse a seconda dell'ambiente.

Per comprendere il meccanismo dietro questi cambiamenti, i ricercatori hanno esaminato l'attività genetica all'interno delle cellule sotto diverse condizioni di sale. Hanno scoperto che, quando il livello di sale era basso, le cellule intensificavano un processo chiamato beta-ossidazione, che scompone gli acidi grassi per generare energia e componenti strutturali. Questa ondata di attività forniva un eccesso di acetil-CoA, una molecola fondamentale che alimenta le linee di produzione sia degli steroli che del DHA. Tuttavia, le cellule riducevano anche l'attività dei geni responsabili degli ultimi passaggi della produzione di astaxantina. Questa regolazione genetica spiega perché le cellule potessero produrre così tanto DHA e steroli in condizioni di basso sale, ma trattenessero l'astaxantina. Lo studio ha identificato geni specifici che potrebbero essere obiettivi per la futura ingegneria, suggerendo che l'organismo ha il potenziale per produrre altri steroli preziosi, come il colesterolo e lo stigmasterolo, se venissero soddisfatte le giuste condizioni.

Il risultato più soddisfacente dello studio si è verificato quando i ricercatori hanno combinato i livelli ottimali di tutti e tre i fattori: 60 grammi di glucosio, 10 grammi di sale marino e un pH di 5,5. Sotto queste specifiche condizioni, la coltura ha raggiunto una densità cellulare massima di 17,4 grammi per litro. Ancora più importante, questo ambiente ha permesso l'accumulo simultaneo di tutti e tre i composti target. Le cellule hanno prodotto 50,73 milligrammi di steroli Δ5,7 totali per litro, 1.097 milligrammi di DHA per litro e 0,11 milligrammi di astaxantina per litro. Questi risultati dimostrano che è possibile guidare un singolo ceppo microbico a co-produrre molteplici bioattivi ad alto valore, anziché costringerlo a scegliere tra di essi.

Questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia su come coltivare queste fabbriche microscopiche. Comprendendo che i livelli di sale agiscono come un interruttore primario per il tipo di steroli prodotti, e che i livelli di zucchero determinano il limite di crescita complessivo, gli scienziati possono progettare meglio i processi di fermentazione. I risultati suggeriscono che le vie metaboliche per la produzione di grassi, steroli e pigmenti sono profondamente interconnesse e rispondono allo stress ambientale in modo coordinato. Sebbene lo studio si sia concentrato su un singolo ceppo in un ambiente controllato, le intuizioni ottenute offrono una base per sviluppare metodi più efficienti per raccogliere questi nutrienti, che sono sempre più importanti per la salute umana e le applicazioni industriali. La ricerca conferma che, con i giusti segnali ambientali, queste minuscole cellule possono essere indotte a diventare fonti altamente produttive di nutrienti essenziali.