Acido formico in primo piano

Una bioeconomia neutrale dal punto di vista del carbonio richiede processi che leghino la CO2 in modo efficiente e la convertano in prodotti di valore. L'acido formico, o meglio il suo sale formiato, è considerato un candidato promettente: può essere prodotto dalla CO2 utilizzando energia elettrica rinnovabile, è facile da trasportare, non tossico e versatile. Tra le altre cose, la ricerca si sta concentrando sui microrganismi che vengono "nutriti" con l'acido formico prodotto dalla CO2 e lo utilizzano per produrre prodotti chimici di base o carburanti.

Un team guidato dalla dott.ssa Maren Nattermann dell'Istituto Max Planck per la Microbiologia Terrestre ha sviluppato un enzima su misura che esegue la fase centrale di conversione in modo preciso e stabile in un unico processo enzimatico. Incorporazione di un bypass metabolico sintetico

La soluzione enzimatica si basa su ricerche precedenti in cui il team ha stabilito una via completamente sintetica per il formilfosfato nei batteri. In precedenza, solo alcuni batteri erano in grado di utilizzare l'acido formico. Le vie metaboliche naturali bypassano l'intermedio formaldeide, che serve come importante punto di partenza per l'integrazione della CO2 nel metabolismo cellulare. I ricercatori hanno costruito un ponte artificiale: una via metabolica sintetica del formilfosfato, che hanno incorporato in batteri E. coli vivi. Il dottor Sebastian Wenk (Università di Groningen), partner della collaborazione, spiega: "Il nostro lavoro ha dimostrato che una via metabolica sintetica per l'elaborazione del formiato funziona negli organismi viventi - un passo importante verso lo sviluppo di microrganismi biotecnologicamente utilizzabili che possono usare il formiato ottenuto dalla CO2 per produrre alimenti, combustibili e materiali". La formaldeide viene immediatamente elaborata dalla cellula e non si accumula.

Tuttavia, il collegamento con il metabolismo cellulare deve essere robusto - dopo tutto, compete con il metabolismo naturale consolidato che si è evoluto nel corso di milioni di anni. Finora esistevano solo cascate enzimatiche multistadio complesse e suscettibili, che rilasciavano prodotti intermedi sensibili come il formilfosfato o il formil-CoA, molecole che si decompongono facilmente o che danno luogo a reazioni collaterali indesiderate. Dal punto di vista biotecnologico, l'obiettivo è una "dieta completa a base di formiato" in cui i batteri crescono esclusivamente con acido formico, senza costosi additivi. Un singolo enzima compie il passo decisivo

Il gruppo ha recentemente raggiunto una svolta decisiva: un enzima formate reduttasi personalizzato che converte in modo preciso e robusto l'acido formico in formaldeide. L'enzima, chiamato FAR (formate reductase), si basa su una reduttasi dell'acido carbossilico (CAR) del batterio Mycobacteroides abscessus. L'enzima CAR è stato modificato attraverso una mutagenesi mirata e uno screening high-throughput in modo da favorire piccole molecole come il formiato. "Con FAR abbiamo per la prima volta un singolo e robusto enzima che riduce in modo affidabile il formiato in formaldeide, esattamente dove iniziano molti percorsi biotecnologici", spiega Maren Nattermann, leader del gruppo di ricerca Max Planck. "Stiamo quindi creando un elemento mancante per le future bioconversioni basate direttamente su materie prime a base di CO₂".

"La cosa più importante è che il nostro enzima tollera anche alte concentrazioni di formiato, perché i sistemi precedenti fallivano quasi completamente in queste condizioni", aggiunge Philipp Wichmann, primo autore dello studio. È proprio questa stabilità che rende FAR interessante per i processi industriali in cui il formiato viene prodotto elettrochimicamente in concentrazioni molto elevate.

Senza l'uso di metodi high-throughput, questo risultato non sarebbe stato raggiungibile in breve tempo. "Dopo aver esaminato circa 4.000 varianti, abbiamo ottenuto un aumento di cinque volte della produzione di formaldeide", spiega Maren Nattermann.

Con FAR è ora disponibile un enzima che può essere utilizzato nelle cellule viventi, nei sistemi senza cellule o nelle linee di produzione elettrobiochimica. In futuro, dal formiato di CO2 si potrebbero produrre prodotti chimici di base, bioplastiche o carburanti. I ricercatori stanno già progettando di combinare il FAR con altre vie metaboliche sintetiche, ad esempio per produrre molecole ricche di energia.