Escherichia coli: nasce un nuovo ceppo sintetico per smaltire la CO2

Il nuovo ceppo sintetico di Escherichia coli

Un gruppo di scienziati del Weizmann Institute of  Science, in Israele, ha condotto un ambizioso progetto: creare tramite ingegneria genetica un nuovo ceppo di Escherichia coli in grado di sopravvivere in un ambiente assente di zuccheri, consumando anidride carbonica (CO2) come prima fonte di sostentamento.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista New Scientist e su Cell. Questa nuova forma di vita “sintetica” potrebbe avere grandi risvolti in molteplici campi. Gli scienziati considerano il risultato della ricerca una pietra miliare, paragonato ad un “trapianto cardiaco, ma del metabolismo“.

Un risultato incredibile sia dal punto di vista tecnico, in quanto sono riusciti ad invertire le dinamiche del più popolare organismo modello della biologia, sia per la potenziale utilità di questo nuovo batterio per affrontare problemi ecologici odierni, come l’emissione di CO2, l’inquinamento atmosferico ed il riscaldamento globale.

Presupposti della ricerca sul nuovo ceppo sintetico di Escherichia coli

Piante e cianobatteri fotosintetici (microbi acquatici) sono due tipi di organismi in grado di usare l’energia solare per trasformare la CO2 in molecole a base di carbonio che andranno a costituire i componenti della vita stessa: DNA proteine e lipidi.

Questi organismi sono tuttavia molto difficili da modificare. Al contrario, E.coli è un batterio molto plastico, facilmente manipolabile tramite processi di bioingegneria. Soprattutto esso ha un eccezionale ritmo di crescita.

Grazie a questo fattore una qualunque modifica applicata ad E.coli è visibile in poco tempo. La maggiore fonte nutritiva per E.coli sono gli zuccheri (glucosio in particolare) e, una volta consumati, questo emette gas come prodotto di scarto. Il team del Weizmann Institute of  Science diretto da Ron Milo ha cercato quindi di manipolare il batterio per “invertire” questo processo metabolico.

Gli step della ricerca

Nel 2016, il gruppo di Milo creò un prototipo di E.coli consumatore di CO2. Il ceppo, creato con un mix di processi di ingegneria genetica ed evoluzione in laboratorio, era in grado di metabolizzare anidride carbonica, ma non era in grado di sopravvivere sfruttando essa come unico alimento.

La maggiore fonte energetica per questo ceppo era invece il piruvato. Successivamente, il gruppo ha di nuovo manipolato l’E.coli, integrando nel suo genoma due enzimi tipici degli organismi fotosintetici. Tramite questi, il batterio avrebbe potuto convertire CO2 in carbonio sfruttando l’energia fotosintetica. Questo processo non era però attuabile per la fisiologia dell’E.coli.

Il passo successivo fu quindi di integrare nel batterio un gene esprimente un enzima che metabolizza il formiato, l’anione derivato dall’acido formico. L’energia accumulata da questa molecola poteva essere l’apporto necessario per permettere ad E.coli di trasformare la CO2.

Tuttavia anche in questo caso l’organismo rifiutava di cambiare la sua dieta di zuccheri per quella gassosa. Milo ed il suo team continuarono a coltivare questo ceppo per un anno, cercando di cambiare le dosi di glucosio e CO2 nell’ambiente di incubazione gradualmente.

La svolta ed il risultato finale

Dopo 200 giorni di coltura, durante i quali i microorganismi sono stati sottoposti a dosi minime di zuccheri e quantità crescenti (fino a 250 volte quelle dell’atmosfera) di anidride carbonica, il ceppo ha dato segni di adattamento: erano nati i primi batteri in grado di usare la CO2 come unica fonte di sostentamento.

Dopo 300 giorni i batteri si riproducevano a velocità maggiore rispetto ai ceppi non consumanti CO2 nelle condizioni di laboratorio. Secondo le dichiarazioni di Milo, il nuovo E.coli era in grado di usare CO2 come sostentamento, ma nella condizione di poter scegliere tra questa e il glucosio si riadatterebbe al secondo, in quanto E.coli è fisiologicamente corrisposto a consumare zucchero.

Oltre a questo, la concentrazione di CO2 necessaria per la sopravvivenza del nuovo ceppo è di gran lunga maggiore di quella atmosferica terrestre. Infine, nelle condizioni del laboratorio, il nuovo E.coli si riproduce molto lentamente, una divisione ogni 18 ore circa, contro una divisione ogni 20 minuti per l’E.coli presente in natura.

Conclusione

Il gruppo di Milo sta quindi cercando di capire le dinamiche della trasformazione dell’E.coli, da consumatore di zuccheri obbligato a consumatore di anidride, per poter rendere il nuovo ceppo capace di sopravvivere a basse concentrazioni di CO2 e di riprodursi più velocemente.

Per ora sembrano esserci 11 geni coinvolti nell’adattamento metabolico al consumo di anidride carbonica. Questa scoperta è di fondamentale importanza: dopo essere stato utilizzato per molte funzioni, come ad esempio la produzione di insulina sintetica da usare come farmaco per diabetici, l’E.coli può essere di nuovo manipolato ed utilizzato al fine di migliorare il nostro benessere.

In questo caso potrebbe essere sfruttato per lo smaltimento di CO2 emessa da veicoli ed industrie, e più in generale per portare avanti gli studi sulla produzione e sintesi di nuovi bio-carburanti.

Bibliografia

  1. Gleizer, S. et al.Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.009 (2019).
  2. E. coli bacteria engineered to eat carbon dioxide. November 27, 2019Nature 576, 19-20 (2019)doi: 10.1038/d41586-019-03679-

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