In una nuova biologia

Le cellule di tutti gli organismi viventi sono alimentate dallo stesso combustibile chimico: l'adenosina trifosfato (ATP). Ora, i ricercatori hanno trovato un modo per generare ATP direttamente dall’elettricità, che potrebbe mettere il turbo ai processi biotecnologici che coltivano di tutto, dal cibo al carburante ai prodotti farmaceutici.

Interfacciare la moderna tecnologia basata sull’elettronica con la biologia è notoriamente difficile. Uno dei principali ostacoli è che il modo in cui vengono alimentati è molto diverso. Mentre la maggior parte dei nostri gadget funziona con elettroni, la natura fa affidamento sull’energia rilasciata quando i legami chimici dell’ATP vengono rotti. Trovare modi per convertire queste due valute energetiche molto diverse potrebbe essere utile per una serie di biotecnologie.

I microbi geneticamente modificati vengono già utilizzati per produrre varie sostanze chimiche di alto valore e proteine ​​terapeuticamente utili, e si spera che possano presto contribuire a generare carburante per aerei più ecologico, abbattere i rifiuti di plastica e persino coltivare nuovi alimenti in bioreattori giganti. Ma al momento, questi processi sono alimentati da un processo inefficiente di crescita della biomassa, conversione in zucchero e alimentazione dei microbi.

Ora, i ricercatori dell’Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre in Germania hanno ideato un modo molto più diretto per alimentare i processi biologici. Hanno creato un percorso metabolico artificiale in grado di convertire direttamente l’elettricità in ATP utilizzando un cocktail di enzimi. E, cosa fondamentale, il processo funziona in vitro e non si basa sul meccanismo nativo delle cellule.

"Alimentare l'elettricità direttamente nelle reazioni chimiche e biochimiche è una vera svolta", ha affermato in un comunicato stampa Tobias Erb, che ha guidato la ricerca. “Ciò consentirà la sintesi di risorse preziose e ricche di energia come amido, biocarburanti o proteine ​​da semplici elementi costitutivi cellulari, in futuro anche dal biossido di carbonio. Potrebbe anche essere possibile utilizzare molecole biologiche per immagazzinare energia elettrica”.

In natura, l’ATP e la sua molecola sorella adenosina difosfato (ADP) possono essere considerati quasi come delle batterie. L’ATP è come una batteria carica, che immagazzina energia nei suoi legami chimici. Se una cellula ha bisogno di spendere quell'energia, rompe uno dei tre gruppi fosfato della molecola e l'energia contenuta in quel legame chimico può quindi alimentare qualche processo cellulare.

Questo processo converte la molecola di ATP in ADP, che può essere considerata come una batteria scarica. Per ricaricarla, la cellula deve utilizzare l'energia proveniente dal cibo o dalla fotosintesi per aggiungere nuovamente un gruppo fosfato alla molecola di ADP, trasformandola nuovamente in ATP.

Ma questo processo di ricarica si basa su una complessa sequenza di reazioni che coinvolgono vari complessi proteici incorporati nella membrana cellulare. Riprogettare questo sistema affinché funzioni al di fuori di una cellula è impegnativo perché richiede che le varie proteine ​​siano orientate con attenzione in una membrana artificiale, il che la rende allo stesso tempo delicata e fragile.

Il nuovo approccio, delineato in un articolo su Joule, è molto più semplice. Soprannominato il “ciclo AAA”, coinvolge solo quattro enzimi che interagiscono in una soluzione. L’ingrediente chiave che ha reso tutto ciò possibile è stata la scoperta di un enzima chiamato aldeide ferredossina ossidoreduttasi (AOR) in un batterio scoperto di recente chiamato Aromaticum aromatoleum, che è in grado di scomporre il petrolio.

Questo enzima è in grado di prelevare gli elettroni da un elettrodo e legare la loro energia in un legame aldeidico che viene aggiunto a un precursore chimico chiamato propionato. Questo viene poi fatto passare a cascata attraverso altri tre enzimi che agiscono sulla sostanza chimica e, infine, utilizzano l'energia immagazzinata in essa per convertire l'ADP in ATP. Alla fine, fuoriesce una molecola di propionato che può quindi essere reimmessa nel ciclo.

"Il semplice ciclo AAA è un approccio intelligente ed elegante... che è molto più semplice di come la biologia produce naturalmente l'ATP", ha detto a Science Drew Endy, un biologo sintetico dell'Università di Stanford. Ha aggiunto che potrebbe essere un fattore chiave per rendere possibile l’“elettrobiosintesi”, l’idea di utilizzare l’elettricità per alimentare direttamente la sintesi di sostanze chimiche utili da parte delle cellule.