Gli interruttori molecolari regolano la crescita e la produzione negli E. coli

Lo studio del metabolismo microbico ha raggiunto dei livelli così avanzati, che molti ricercatori iniziano a concepire un nuovo approccio molecolare, nella crescita dei microrganismi destinati alla produzione di composti per uso industriale.

Per metabolismo cellulare si intende una vera rete di reazioni biochimiche interconnesse che trasformano i metaboliti assorbiti dai batteri in energia che viene poi spesa per adempiere alle funzioni biologiche.

Così tutti i processi che comportano la degradazione dei composti corrispondono al catabolismo; mentre i processi che portano alla sintesi di nuove molecole corrispondono all’anabolismo.

Il catabolismo ha una natura ossidativa ed utilizza coenzimi NAD+ come accettori degli elettroni. L’anabolismo, al contrario, è un processo endoergonico che sfrutta l’ATP come principale fonte di energia ed utilizza NADPH come fornitore di ioni H+.

Entrambi i processi sono così ben organizzati da una serie ordinata di composti molecolari da prendere il nome di vie metaboliche (pathway).

Un esempio tra tutti è la glicolisi; ovvero un processo metabolico mediante il quale una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato. Così facendo si generano delle molecole a più alto valore energetico come 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio.

Nell'immagine sono evidenziate le reazioni molecolari della glicolisi che partono da un substrato glucido, terminando con l'acido piruvico. — *Figura 1 – Principali reazioni molecolari della glicolisi*

I principali attori molecolari che rendono funzionali le vie metaboliche sono gli enzimi.

Gli enzimi grandi alleati

Gli enzimi sono dei catalizzatori proteici che accelerano le reazioni biochimiche, altrimenti troppo lente per i ritmi vitali degli esseri viventi. Inoltre, gli enzimi sono proteine flessibili che cambiano forma quando si legano con i loro substrati come ad esempio il glucosio. Le capacità di legare e di adattarsi al substrato conferisce l’aumento dei tassi di reazione enzimatica.

Questo perchè gli enzimi posso portare due substrati nelle immediate vicinanze per facilitarne il trasferimento elettronico e sintetizzare così il prodotto finale. Queste modifiche strutturali a volte si comportano come degli interruttori on/off. Ovvero: gli enzimi hanno la facoltà di essere attivi o meno in base al substrato con cui interagiscono. In molti testi, le proteine che possiedono queste proprietà sono definite interruttori molecolari (molecular switch).

Ad esempio, esistono alcune molecole in grado di legarsi a siti enzimatici alternativi facendo assumere una conformazione inattiva, bloccando di fatto la reazione. Al contrario, il legame molecolare verso i siti alternativi può anche attivare un enzima facendogli assumere la conformazione molecolare attiva, e dunque favorire la produzione di un particolare metabolita.

L’approccio molecolare dinamico

I microrganismi possono essere ingegnerizzati geneticamente per produrre una varietà di composti utili, tra cui materie plastiche, biocarburanti e prodotti farmaceutici. Tuttavia, in molti casi, questi prodotti competono con le principali vie metaboliche, vitali per le cellule che necessitano di alimentarsi e crescere.

A rimediare a questo problema ci hanno pensato degli ingegneri chimici del MIT (Massachusetts Institute Technology). Essi hanno escogitato una tecnica per indurre batteri ingegnerizzati ad attivare pathway metabolici alternativi, se opportunamente stimolati dalle condizioni ambientali.

Il cambiamento della densità in una popolazione all’interno di un fermentatore, ad esempio, può essere un fattore ambientale che induce la colonia geneticamente modificata a produrre un composto molecolare piuttosto che un altro.

Questo tipo di approccio ha permesso ai ricercatori di aumentare fino a dieci volte le rese microbiche di diversi prodotti. Per fare in modo che i microbi sintetizzino composti utili che normalmente non producono, gli ingegneri inseriscono dei geni appositi. Gli stessi che una volta espressi saranno coinvolti nella via di sintesi di un prodotto specifico.

Così è possibile produrre molti composti, come svariati prodotti farmaceutici, biocarburanti o svariate materie prime.

Purtroppo molti composti ricercati da industrie e ricercatori sono già naturalmente prodotti in diverse vie metaboliche e quindi consumati dall’organismo stesso. Questo causa una riduzione della resa complessiva del prodotto finale ad ogni ciclo produttivo.

L’ingegneria metabolica dinamica

Utilizzando un concetto chiamato ingegneria metabolica dinamica, i ricercatori del MIT hanno realizzato interruttori molecolari che aiutano le cellule a mantenere un corretto equilibrio tra i propri bisogni metabolici e la sintesi del prodotto desiderato.

In uno studio pubblicato nel 2017, un team del MIT guidato dal dot. Prather ha utilizzato questo approccio per programmare E. coli nella produzione dell’acido glucarico, un precursore industriale di alcuni prodotti come calze e detergenti.

La strategia dei ricercatori sfruttava il quorum sensing, un fenomeno molecolare dove le cellule batteriche normalmente lo adottano come mezzo comunicativo interspecifico. Ogni specie batterica secerne particolari molecole che le aiutano a rilevare i microbi vicini e ad influenzarsi a vicenda.

Il team del MIT ha progettato così cellule di E. coli per secernere una molecola sensibile al quorum sensing chiamata AHL. Quando le concentrazioni di AHL raggiungono un certo livello, le cellule autonomamente bloccano un enzima che catalizza il precursore dell’acido glucarico in una delle sue vie metaboliche.

Questo consente alle cellule di proliferare normalmente fino a quando la popolazione non è abbastanza grande da poter iniziare la produzione in grandi quantità del prodotto desiderato.

Un processo migliorato

Lo stesso team ha pubblicato in un recente articolo la possibilità d’inserire più interruttori molecolari all’interno della stessa cellula batterica. Questo comporterebbe un maggior grado di controllo sul processo di produzione dei metaboliti.

L’articolo dimostra come diversi interruttori molecolari deputati al rilevamento del quorum sensing inseriti all’interno di E. coli miglioravano la produzione di un composto chiamato naringenina, un flavonoide che si trova naturalmente negli agrumi e conferisce molteplici effetti benefici sulla salute.

Così un interruttore è stato progettato per impedire ai batteri di bloccare un precursore della naringenina chiamato malonil-CoA.

Un altro interruttore invece, è stato inserito dai ricercatori per evitare l’accumulo di una molecola che normalmente inibisce la sintesi della naringenina se questa si accumula in gran quantità.

I ricercatori hanno creato centinaia di ceppi di E. coli ingegnerizzati con il metabolismo dinamico selezionando i ceppi più produttivi. Si sono raggiunte prestazioni che aumentano le rese di naringenina dieci volte maggiori rispetto ai ceppi non ingegnerizzati.

Possibilità future

I ricercatori hanno anche dimostrato che l’approccio ad interruttore multiplo dinamico potrebbe essere usato per raddoppiare la produzione di acido salicilico di E. coli, un elemento costitutivo di molti farmaci.

L’uso degli interruttori molecolari potrebbe aiutare a migliorare le rese di qualsiasi tipo di prodotto biotecnologico. Il futuro ci riserverà sicuramente molte sorprese in merito.

Simone Giorgini