Pigmenti che possono fare di più
Una nuova scoperta fa luce sull'uso batterico della biomassa, con un potenziale per biocarburanti e nuovi antibiotici
L'elucidazione della struttura e dell'origine della cosiddetta "Yellow Affinity Substance" (YAS) fornisce nuove conoscenze sulla degradazione della cellulosa da parte del batterio Clostridium thermocellum (nuovo nome: Acetivibrio thermocellus). Si presume che il pigmento giallo svolga un ruolo decisivo nella conversione della biomassa vegetale in zucchero utilizzabile, aprendo nuove prospettive per la produzione di biocarburanti. Lo studio apre anche nuovi approcci alla ricerca sugli antibiotici.
Il confronto di due colture di Clostridium thermocellum con carta da filtro come fonte di cellulosa mostra l'influenza del pigmento YAS sulla degradazione della cellulosa da parte del batterio. Mentre la carta di sinistra viene completamente degradata dal siero, parte della carta di destra rimane in gran parte intatta senza contatto con YAS.
© Jana Krabbe, Leibniz-HKI
I batteri anaerobi sono stati tra le prime forme di vita sulla terra ed esistevano quando non c'era ossigeno nell'atmosfera. Mentre molti organismi dipendono da un ambiente ricco di ossigeno per sopravvivere, gli anaerobi prosperano in luoghi dove altri non possono farlo: in habitat completamente privi di ossigeno come l'intestino umano o il fondo dell'oceano. Gli enzimi di questi batteri sono addirittura sensibili all'ossigeno. La loro notevole adattabilità sta attirando sempre più l'attenzione dei ricercatori.
I batteri anaerobi producono spesso sostanze insolite. Questo li rende particolarmente interessanti per la ricerca e la biotecnologia, ad esempio per la produzione di antibiotici o biocarburanti. Sono anche attori indispensabili nel ciclo naturale dei nutrienti, in quanto decompongono materiale organico come la cellulosa e rilasciano i nutrienti nell'ecosistema.
Una sostanza segnale con un ruolo chiave
Il Clostridium thermocellum è uno dei microbi anaerobi più noti per quanto riguarda la degradazione della cellulosa, il componente principale delle pareti cellulari delle piante. Converte la cellulosa in zucchero, che può essere utilizzato per produrre biocarburanti come l'etanolo. Un vistoso pigmento giallo prodotto dal batterio (YAS - Yellow Affinity Substance) svolge un ruolo chiave in questo processo. YAS si attacca preferenzialmente alle fibre di cellulosa. Si presume che YAS contribuisca a indirizzare gli enzimi di degradazione esattamente dove è presente la cellulosa.
Analisi strutturale dei pigmenti batterici
I ricercatori dell'Istituto Leibniz per la ricerca sui prodotti naturali e la biologia delle infezioni - Istituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) e dell'Istituto Max Planck per l'ecologia chimica di Jena sono riusciti per la prima volta a chiarire la composizione molecolare di YAS. Gli scienziati hanno scoperto che YAS è costituito da diversi componenti, i cosiddetti celluxanteni, e hanno determinato le loro strutture molecolari utilizzando analisi spettroscopiche (NMR, MS) ed esperimenti di etichettatura isotopica. Inoltre, hanno identificato il gruppo di geni biosintetici responsabili attraverso una manipolazione genetica mirata.
Un pigmento con un potenziale medico?
Sorprendentemente, i pigmenti mostrano un effetto contro alcuni microrganismi. I celluxanteni hanno una leggera attività antibiotica contro i batteri Gram-positivi, compresi i patogeni resistenti di rilevanza clinica. La comprensione delle basi genetiche della biosintesi apre anche la possibilità di produrre o modificare i celluxanteni in futuro. I primi autori Keishi Ishida e Jana Krabbe vedono risultati promettenti: "Sebbene i pigmenti gialli siano noti da quasi un secolo, la loro struttura è rimasta finora un mistero. Ora possiamo iniziare a studiare le possibili funzioni ecologiche, tra cui l'attività antibatterica per difendere la fonte di cibo (la cellulosa) dai concorrenti".
Un passo verso un futuro sostenibile
La scoperta e la caratterizzazione dei celluxanteni colma il divario tra la nostra comprensione del metabolismo microbico e le applicazioni pratiche nel settore energetico - e forse nella futura ricerca medica. I risultati potrebbero anche aiutare a ottimizzare l'uso della biomassa vegetale.
La ricerca fa parte del progetto "AnoxyGen", per il quale Christian Hertweck ha ricevuto una delle prestigiose sovvenzioni ERC Advanced dal Consiglio europeo della ricerca. Hertweck è capo dipartimento del Leibniz-HKI e professore all'Università Friedrich Schiller di Jena. "AnoxyGen mira a sbloccare il potenziale nascosto dei batteri anaerobi per produrre nuovi prodotti naturali bioattivi", spiega Hertweck. "Molti di questi microrganismi portano nel loro genoma i geni per la produzione di composti preziosi, ma di solito rimangono inattivi nelle condizioni standard di laboratorio". Il team sta sviluppando nuovi metodi biologici molecolari per attivare queste vie biosintetiche nascoste, metodi che in precedenza esistevano soprattutto per i microbi aerobi (dipendenti dall'ossigeno). L'obiettivo è scoprire e sfruttare sostanze naturali precedentemente sconosciute con valore medico o biotecnologico. AnoxyGen combina la moderna biologia sintetica con la scoperta di sostanze attive e potrebbe aprire nuove possibilità per lo sviluppo farmaceutico.
Il progetto AnoxyGen contribuisce anche al Cluster of Excellence "Balance of the Microverse", che studia i complessi meccanismi di segnalazione e comunicazione all'interno delle comunità microbiche che regolano la vita sulla Terra.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Keishi Ishida, Jana Krabbe, Philippe R. Meisinger, Gulimila Shabuer, Sebastian Schieferdecker, Michael Cyrulies, Cedric Tank, Emma Barnes, Christian Paetz, Christian Hertweck; "Discovery and Biosynthesis of Celluxanthenes, Antibacterial Arylpolyene Alkaloids From Diverse Cellulose‐Degrading Anaerobic Bacteria"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 64, 2025-4-14
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