Gli scienziati hanno mostrato una nuova tecnologia in cui i batteri bioingegnerizzati possono produrre prodotti chimici/polimeri economici da fonti vegetali rinnovabili
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 monomeri di carboidrati (zucchero). 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. Questo è importante perché i composti aromatici vengono generalmente estratti dalla fonte non rinnovabile del petrolio e quindi vengono utilizzati per produrre plastica, vernici, ecc. Pertanto, il potenziale della lignina è molto alto. Rispetto al petrolio che è un combustibile fossile non rinnovabile, le lignocellulosa derivano dal legno, dalla paglia o dal miscanto che sono fonti rinnovabili. La lignina può essere coltivata nei campi e nei boschi e sono generalmente neutri nei confronti del clima. La lignocellulosa è stata considerata una seria alternativa al petrolio negli ultimi decenni. Attualmente il petrolio guida 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. Questo porta la lignina nell'immagine come 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 presso i Sandia National Laboratories ha risolto tre problemi principali che si incontrano nel trasformare la lignina in prodotti chimici di piattaforma. Il primo grande ostacolo è che i batteri E.Coli generalmente non producono gli enzimi necessari per la conversione. Gli scienziati tendono a risolvere questo problema di 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 bioraffinerie. I ricercatori hanno provato un concetto in cui un composto derivato dalla lignina come la vaniglia è stato utilizzato come substrato e come induttore ingegnerizzando i batteri E.Coli. Ciò eviterebbe la necessità di un induttore costoso. Tuttavia, come ha scoperto il gruppo, la vaniglia non era una buona scelta soprattutto perché una volta che la lignina si rompe, 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 i 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 che la vaniglia è presente, 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 trasportatori più efficaci di altri batteri e li hanno ingegnerizzati in E. Coli, che ha quindi seguito rapidamente il processo. Il superamento dei problemi di tossicità ed efficienza con tali soluzioni innovative può contribuire a rendere la produzione di biocarburanti un processo più economico. Inoltre, la rimozione di un induttore esterno insieme all'incorporazione dell'autoregolazione può ottimizzare ulteriormente il processo di produzione del biocarburante.
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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{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}
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
