Trasformare l’inquinamento climatico in una risorsa utile è da tempo uno degli obiettivi più ambiziosi della ricerca scientifica. Ora un gruppo di ricercatori statunitensi ha compiuto un passo deciso in questa direzione, sviluppando un metabolismo artificiale completamente sintetico in grado di convertire molecole derivate dalla CO₂ in composti chimici di valore.
Un metabolismo che non esiste in natura
Il sistema, messo a punto da biologi sintetici della Northwestern University e della Stanford University, consente di trasformare il formiato – una semplice molecola liquida facilmente ottenibile dalla cattura dell’anidride carbonica – in acetil-CoA, uno dei metaboliti centrali utilizzati da tutte le cellule viventi.
L’elemento più innovativo del lavoro è che il percorso metabolico sviluppato non esiste in natura. Invece di affidarsi a organismi viventi, il team ha costruito un sistema interamente artificiale e privo di cellule, composto da enzimi ingegnerizzati capaci di catalizzare reazioni mai osservate prima nei processi biologici naturali.
Il sistema è stato denominato Reductive Formate Pathway (ReForm) e rappresenta un avanzamento significativo nel campo della biologia sintetica e del riciclo del carbonio, con possibili ricadute su produzioni industriali sostenibili e su futuri combustibili a bilancio neutro di carbonio. A differenza dei metabolismi naturali, che funzionano all’interno delle cellule, ReForm opera completamente al di fuori di qualsiasi organismo vivente. Questa scelta consente di superare limiti biologici che finora hanno reso inefficiente l’utilizzo diretto della CO₂.
“Il rilascio incontrollato di CO₂ ha causato numerose e gravi sfide sociali ed economiche“, ha spiegato Ashty Karim della Northwestern University, co-autore dello studio. “Se vogliamo affrontare questo problema globale, abbiamo bisogno di nuove strade verso una manifattura a bilancio di carbonio negativo“. Karim ha sottolineato che, sebbene la natura abbia evoluto diversi meccanismi per processare la CO₂, nessuno è in grado di convertire il formiato in acetil-CoA. “Ispirandoci alla natura, abbiamo cercato di usare enzimi biologici per trasformare il formiato derivato dalla CO₂ in materiali di maggior valore“, ha aggiunto. “Poiché non esiste un set di enzimi naturali in grado di farlo, abbiamo deciso di progettarne uno“.
Lavorare fuori dalle cellule per superare i limiti biologici
Il funzionamento al di fuori delle cellule offre un ulteriore vantaggio cruciale: un controllo estremamente preciso sulle concentrazioni degli enzimi, sulle condizioni di reazione e sui cofattori chimici. Un livello di regolazione che, all’interno di un sistema vivente, risulta quasi impossibile da ottenere.
Per rendere operativo ReForm, i ricercatori hanno dovuto prima creare enzimi capaci di svolgere funzioni chimiche del tutto nuove. A questo scopo hanno fatto ricorso alla biologia sintetica cell-free, una tecnica che estrae il “macchinario” molecolare delle cellule e lo utilizza in un ambiente di laboratorio, come una provetta. “È come aprire il cofano di un’auto e rimuovere il motore“, ha spiegato Michael Jewett della Stanford University, anche lui co-autore dello studio. “Poi possiamo usare quel “motore” per scopi diversi, liberi dai vincoli dell’auto“. Questo approccio ha permesso di testare rapidamente 66 enzimi e oltre 3.000 varianti enzimatiche, individuando le soluzioni più efficaci in poche settimane invece che in mesi
Nella configurazione finale, cinque enzimi ingegnerizzati portano avanti sei reazioni chimiche necessarie per convertire il formiato in acetil-CoA. Il team ha inoltre dimostrato che ReForm può utilizzare anche altre fonti di carbonio a un solo atomo, come formaldeide e metanolo. Secondo i ricercatori, la piattaforma potrà essere ulteriormente ottimizzata e adattata per creare nuovi percorsi sintetici che combinano chimica e biologia, aprendo la strada a strumenti inediti per una manifattura più efficiente dal punto di vista del carbonio.
