Dall'olio di palma agli enzimi di design: i ricercatori riprogrammano le cellule di lievito

Una catena di montaggio molecolare con un controllo preciso

Al centro di questa ricerca c'è un enzima chiamato sintasi degli acidi grassi (FAS), una sorta di catena di montaggio molecolare che costruisce gli acidi grassi in tutti gli organismi viventi. "Il FAS è uno degli enzimi più importanti del metabolismo cellulare ed è stato messo a punto dall'evoluzione nel corso di milioni di anni", spiega Grininger.

L'enzima produce tipicamente acido palmitico, un acido grasso a 16 atomi di carbonio che serve come elemento costitutivo delle membrane cellulari e dell'accumulo di energia. L'industria, tuttavia, richiede principalmente varianti più corte, con 6-14 atomi di carbonio, che oggi provengono da oli vegetali prodotti in piantagioni di palma da olio su larga scala, che sono causa di deforestazione e perdita di biodiversità. Il vantaggio decisivo del nuovo metodo basato sul FAS: "Fondamentalmente, il nostro vantaggio sta nel controllo molto preciso della lunghezza della catena. In teoria possiamo produrre qualsiasi catena, e lo stiamo dimostrando con l'esempio dell'acido grasso C12, che altrimenti può essere ottenuto solo dai semi di palma o dalla noce di cocco", afferma Grininger.

Comprendere attraverso la modifica

Negli ultimi 20 anni, Grininger e il suo team hanno contribuito in modo significativo alla comprensione delle basi molecolari del FAS. Hanno scoperto che la lunghezza della catena è regolata dall'interazione tra due subunità: la cheto-sintasi allunga ripetutamente la catena di due atomi di carbonio, mentre la tioesterasi taglia la catena finita come acido grasso. "Ci siamo quindi chiesti se potevamo andare oltre l'analisi e costruire FAS con una nuova regolazione della lunghezza della catena", dice Grininger. "La vera comprensione inizia quando si può cambiare o personalizzare un fenomeno".

Due interventi mirati portano al successo

Damian Ludig, dottorando di Grininger, ha ripreso questa idea. "Ci siamo chiesti cosa sarebbe successo se fossimo intervenuti in modo specifico nell'interazione tra queste due subunità", spiega Ludig. "Potremmo quindi controllare la lunghezza della catena degli acidi grassi prodotti?".

Ludig ha utilizzato metodi di ingegneria proteica in cui è possibile scambiare singoli aminoacidi o modificare intere regioni proteiche. "Due modifiche al FAS attraverso l'ingegneria proteica ci hanno portato al nostro obiettivo", dice Ludig. "Nella subunità della cheto-sintasi, ho innanzitutto sostituito un aminoacido che ha fatto sì che le catene si estendessero solo con scarsa efficienza oltre una certa lunghezza. Inoltre, ho sostituito la subunità tioesterasica con una proteina simile proveniente da batteri che mostra attività di scissione di catene corte". In base a ulteriori aggiustamenti, Ludig è stato in grado di produrre acidi grassi di breve e media lunghezza.

Da Francoforte a Dalian

La collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. Yongjin Zhou presso l'Istituto di Fisica Chimica di Dalian, Accademia Cinese delle Scienze, ha permesso di ottenere risultati rivoluzionari. Sostenuti dalla German Research Foundation (DFG) e dalla National Natural Science Foundation of China (NSFC), Zhou e il suo laboratorio sono riusciti a sviluppare ceppi di lievito che producono acidi grassi contenenti solo 12 atomi di carbonio anziché 16. Diversi FAS di design del laboratorio di Grininger sono stati integrati in questi lieviti per essere ottimizzati.

Entrambi i laboratori hanno già depositato i brevetti per le loro tecnologie. "Da parte cinese, Unilever è stata coinvolta in questo progetto. Finora il nostro sviluppo è avvenuto senza la partecipazione dell'industria. Tuttavia, stiamo cercando di collaborare con un partner industriale per portare la tecnologia in applicazione", afferma Grininger.

Pensare al futuro: Dagli acidi grassi ai prodotti farmaceutici

In un secondo progetto, Felix Lehmann del laboratorio di Grininger ha portato la ricerca ancora più avanti, studiando quanto i FAS siano universalmente applicabili per biosintesi su misura: "Questa domanda è anche dettata dalla necessità di sviluppare continuamente processi chimici verso una chimica verde più sostenibile", spiega Grininger.

La domanda specifica era: Il FAS può essere reindirizzato per produrre non solo acidi grassi, ma anche composti completamente diversi, come gli stirilpironi? Queste molecole sono precursori di sostanze derivate dalle piante di kava che suscitano interesse medico per le loro potenziali proprietà ansiolitiche. Anche in questo caso, Lehmann ha ottenuto il successo con relativamente poche modifiche: "Per prima cosa abbiamo tagliato una parte di FAS che non ci serviva per i nostri prodotti target; poi abbiamo modificato la cheto-sintasi in modo da poter utilizzare l'acido cinnamico come materiale di partenza", spiega. Il team ha anche integrato un'altra proteina nella struttura del FAS in modo che diventasse parte di un complesso multienzimatico.

"In questo progetto abbiamo esaminato sistematicamente come sia possibile costruire interi percorsi biosintetici con il FAS a partire da elementi di base facilmente reperibili", spiega Grininger. Anche se i risultati non hanno ancora applicazioni pratiche immediate, forniscono importanti indicazioni per la futura progettazione di nuove sintasi".

All'intersezione tra chimica e biologia

"Negli ultimi anni il nostro laboratorio ha fatto passi da gigante verso la biocatalisi e le applicazioni biotecnologiche, grazie al contributo di numerosi progetti e collaborazioni. Continueremo su questa strada", riassume Grininger. "Nell'ambito del Cluster of Excellence SCALE, utilizzeremo questo enzima anche per generare biomembrane su misura, la cui analisi contribuirà ad approfondire la nostra comprensione di organelli chiave come il reticolo endoplasmatico e i mitocondri".

La possibilità che la tecnologia possa effettivamente alleviare i problemi dell'olio di palma dipende ora dal successo dello scaling up insieme ai partner industriali. Le basi scientifiche sono state certamente gettate e il laboratorio ha ancora molte idee da esplorare.