Gli scienziati hanno mostrato una nuova tecnologia in cui i batteri bioingegnerizzati possono produrre sostanze chimiche/polimeri economicamente vantaggiosi da fonti rinnovabili impianto fonti
La lignina è un materiale che costituisce un costituente della parete cellulare di tutte le piante terrestri asciutte. È il secondo polimero naturale più abbondante dopo la cellulosa. Questo materiale è l'unico polimero presente nelle piante che non è composto da carboidrati (di zucchero) monomeri. I biopolimeri lignocellulosici forniscono forma, stabilità, resistenza e rigidità alle piante. I biopolimeri di lignocellulosa sono costituiti da tre componenti principali: cellulosa ed emicellulosa formano una struttura in cui la lignina è incorporata come una sorta di connettore solidificando così la parete cellulare. La lignificazione delle pareti cellulari rende le piante resistenti al vento e ai parassiti e le aiuta a marcire. La lignina è una risorsa di energia rinnovabile vasta ma molto sottoutilizzata. La lignina, che rappresenta fino al 30% della biomassa lignocellulosica, è un tesoro inesplorato, almeno dal punto di vista chimico. L’industria chimica dipende principalmente dai composti del carbonio per creare diversi prodotti come vernici, fibre artificiali, fertilizzanti e, soprattutto, plastica. Questa industria utilizza alcune risorse rinnovabili come olio vegetale, amido, cellulosa ecc., ma queste comprendono solo il 13% di tutti i composti.
Lignina, una promettente alternativa al petrolio per la realizzazione di prodotti
Infatti, la lignina è l’unica fonte rinnovabile sulla terra che contiene un gran numero di composti aromatici. Ciò è importante perché i composti aromatici vengono generalmente estratti dal petrolio da fonti non rinnovabili e quindi utilizzati per la produzione plastica, vernici ecc. Pertanto il potenziale della lignina è molto elevato. A differenza del petrolio, che è un combustibile fossile non rinnovabile, da esso derivano le lignocellulose legno, paglia o miscanto che sono fonti rinnovabili. La lignina può essere coltivata nei campi e nelle foreste e generalmente è neutrale rispetto al clima. Negli ultimi decenni la lignocellulosa è stata considerata una seria alternativa al petrolio. Il petrolio guida attualmente l’industria chimica. Il petrolio è una materia prima per molti prodotti chimici di base che vengono poi utilizzati per produrre prodotti utili. Ma il petrolio è una fonte non rinnovabile e sta diminuendo, quindi è necessario concentrarsi sulla ricerca di fonti rinnovabili. Ciò introduce la lignina in quanto sembra essere un’alternativa molto promettente.
La lignina è ricca di alta energia, ma il recupero di questa energia è complicato e un processo costoso e quindi anche il biocarburante generato come risultato finale è generalmente molto costoso e non può sostituire economicamente l'"energia di trasporto" attualmente in uso. Sono stati studiati molti approcci per sviluppare modi convenienti di scomporre la lignina e convertirla in sostanze chimiche preziose. Tuttavia, diverse limitazioni hanno limitato la conversione di una materia vegetale tattile come la lignina per essere utilizzata come fonte di energia alternativa o addirittura provare a renderla più conveniente. Un recente studio ha ingegnerizzato con successo i batteri (E. Coli) per agire come una fabbrica di cellule di bioconversione efficiente e produttiva. batteri crescono e si moltiplicano molto velocemente e sono in grado di resistere a processi industriali gravosi. Queste informazioni sono state combinate con la comprensione dei degradatori della lignina naturalmente disponibili. L'opera è stata pubblicata su Atti della National Academy of Science USA.
Il team di ricercatori guidato dal dottor Seema Singh dei Sandia National Laboratories ha risolto tre problemi principali che si incontrano nella trasformazione della lignina in sostanze chimiche di piattaforma. Il primo grande ostacolo è questo batteri E.Coli generalmente non produce gli enzimi necessari per la conversione. Gli scienziati tendono a risolvere questo problema della produzione di enzimi aggiungendo un “induttore” all’anello di fermentazione. Questi induttori sono efficaci ma sono molto costosi e quindi non si adattano bene al concetto di bioraffineria. I ricercatori hanno provato un concetto in cui un composto derivato dalla lignina come la vaniglia veniva utilizzato come substrato e come induttore ingegnerizzando il batteri E.Coli. Ciò eliminerebbe la necessità di un induttore costoso. Tuttavia, come il gruppo ha scoperto, la vaniglia non era una buona scelta soprattutto perché una volta che la lignina si decompone, la vaniglia viene prodotta in grandi quantità e inizia a inibire la funzione di E. Coli, cioè la vaniglia inizia a creare tossicità. Ma questo ha funzionato a loro favore quando hanno progettato il batteri. Nel nuovo scenario, proprio la sostanza chimica tossica per l’E.Coli viene utilizzata per avviare il complesso processo di “valorizzazione della lignina”. Una volta presente, la vaniglia attiva gli enzimi e i batteri iniziano a convertire la vanillina in catecolo, che è la sostanza chimica desiderata. Inoltre, la quantità di vanillina non raggiunge mai il livello tossico poiché viene autoregolata nel sistema attuale. Il terzo e ultimo problema riguardava l’efficienza. Il sistema di conversione era lento e passivo, quindi i ricercatori hanno esaminato i trasportatori più efficaci di altri batteri e li hanno ingegnerizzati in E. Coli che ha poi seguito rapidamente il processo. Superare i problemi di tossicità ed efficienza con soluzioni così innovative può contribuire a rendere la produzione di biocarburante un processo più economico. Inoltre, la rimozione di un induttore esterno insieme all’incorporazione dell’autoregolamentazione può ottimizzare ulteriormente il processo di produzione dei biocarburanti.
È assodato che una volta scomposta la lignina, essa ha la capacità di fornire o meglio "conferire" preziose sostanze chimiche di piattaforma che possono poi essere convertite in nylon, plastica, prodotti farmaceutici e altri importanti prodotti che sono attualmente derivati dal petrolio, un non -fonte di energia rinnovabile. Questo studio è importante per essere un passo verso la ricerca e lo sviluppo di soluzioni convenienti per i biocarburanti e la bioproduzione. Utilizzando la tecnologia della bioingegneria possiamo produrre grandi quantità di prodotti chimici di piattaforma e molti altri nuovi prodotti finali, non solo con E.Coli batterico ma anche con altri ospiti microbici. La ricerca futura degli autori si concentrerà sulla dimostrazione di una produzione economica di questi prodotti. Questa ricerca ha un enorme impatto sui processi di generazione di energia e sull'espansione della gamma di possibilità per i prodotti verdi. Gli autori osservano che nel prossimo futuro la lignocellulosa dovrebbe sicuramente completare il petrolio se non sostituirlo.
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Fonte (s)
Wu W et al. 2018. Verso l'ingegneria di E. coli con un sistema di autoregolazione per la valorizzazione della lignina', Atti della National Academy of Sciences. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
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