L'innovazione apre la strada alla produzione di prodotti chimici, plastici e alimentari "puliti" utilizzando l'energia solare

In futuro, questa tecnologia potrà essere utilizzata per produrre sostanze chimiche, plastiche e persino proteine microbiche ecologicamente pulite.

Il dispositivo combina una cella solare organica, un elettrodo semiconduttore, due enzimi e un batterio ingegnerizzato e converte la CO₂ e l'acqua in biomassa vivente, riproducendo le fasi della fotosintesi naturale senza piante, alghe o microbi fotosintetici.

Chimica ad energia solare e batteri ingegnerizzati

L'industria chimica di oggi funziona con i combustibili fossili. Due alternative pulite stanno crescendo in parallelo: la chimica a energia solare, dove la luce del sole trasforma il CO₂ in piccole molecole utili, e i batteri ingegnerizzati, che possono essere programmati per produrre un'ampia gamma di sostanze chimiche. Diversi dispositivi bioibridi precedenti hanno già inserito un assorbitore di luce abiotico e un microbo nello stesso reattore, utilizzando diverse combinazioni di catalizzatori, intermedi e organismi ospiti.

Il presente lavoro si chiede: è possibile ottenere la stessa integrazione one-pot utilizzando un insieme di componenti che siano facilmente ingegnerizzabili da entrambe le parti, in particolare un assorbitore di luce organico, un enzima purificato come catalizzatore di riduzione della CO₂, il vettore energetico solubile monocarbonico formiato e un telaio di E. coli ingegnerizzato? Questa combinazione è importante perché ognuno di questi componenti può essere regolato o scambiato in modo indipendente (la cella solare riprogettata, l'enzima reingegnerizzato, il ceppo ricablato per un prodotto target), dando vita a una piattaforma progettata per essere modificata piuttosto che fissata a una sola chimica.

Affinché un'industria chimica pulita sostituisca quella dei combustibili fossili, la chimica che cattura la CO₂ e la biologia che la trasforma in prodotti utili dovranno condividere lo stesso dispositivo. I processi a due fasi con trasferimento manuale tra i reattori sono troppo costosi e inefficienti per essere scalati. Questo lavoro è una prima dimostrazione che la chimica e la biologia possono essere rese compatibili all'interno di un unico becher, che è la base per qualsiasi futura raffineria solare integrata per prodotti chimici, materiali e proteine microbiche.

All'interno del reattore, la luce solare alimenta due reazioni e una terza reazione segue nello stesso liquido. La luce solare scinde l'acqua su un elettrodo, liberando ossigeno per la respirazione dei batteri. Su un secondo elettrodo alimenta un enzima che cattura la CO₂ dal liquido e la trasforma in formiato, una piccola molecola che trasporta l'energia solare catturata in una forma che i batteri possono usare come carburante. I batteri assorbono quindi il formiato, lo bruciano per ricavarne energia utilizzando l'ossigeno che il dispositivo ha appena prodotto e usano questa energia per costruire se stessi a partire da altra CO₂ disciolta nello stesso liquido. La luce del sole entra. I batteri vivi escono.

Il valore del lavoro consiste nel dimostrare che l'intera catena, dai fotoni alla biomassa di E. coli in un unico liquido, è possibile. Questo apre la strada all'inserimento di ceppi ingegnerizzati che producono sostanze chimiche mirate oltre alla biomassa.

Il dottor Lin Su, docente presso la Queen Mary University di Londra, ha dichiarato: "In precedenza, il problema del tentativo di produrre biomassa vivente come i batteri in un reattore chimico alimentato a energia solare è che la chimica rilascia tipicamente ioni metallici tossici che avvelenano i batteri. Abbiamo dimostrato che un reattore chimico a energia solare e batteri ingegnerizzati possono condividere un singolo becker, utilizzando la luce solare, l'acqua e la CO₂ per far crescere la biomassa vivente in modo sicuro.

"Una volta che l'integrazione funziona, un biologo sintetico può collegare un altro ceppo di E. coli ingegnerizzato allo stesso hardware per produrre una molecola diversa.

"Pur essendo in una fase iniziale, con rese ancora ridotte e un reattore che funziona per ore anziché per settimane, il progetto è molto promettente".

La dottoressa Celine Wing See Yeung, dell'Università di Cambridge, ha dichiarato: "Il progetto si è composto come un puzzle plasmato da anni di ricerca, dalla possibilità di far funzionare il fotovoltaico organico ad alte temperature al progresso della purificazione degli enzimi e alla sua integrazione con la biologia sintetica. Insieme, dimostriamo come la chimica dei materiali e la biologia sintetica possano unire le forze per sviluppare raffinerie chimiche del futuro alimentate a energia solare".

Il professor Ron Milo, del Weizmann Institute of Science, ha dichiarato: "Il successo dell'integrazione di questi due sistemi sarà la chiave per le tecnologie di produzione sostenibili. I progressi nella coltivazione dei batteri con la CO2 aprono la strada alla fornitura di cibo in un modo che utilizza molto meno terra e acqua e che può essere scalato per ridurre significativamente le sfide climatiche ed ecologiche che l'umanità deve affrontare". Il professor Erwin Reisner, dell'Università di Cambridge, ha dichiarato: "Il nostro studio dimostra che gli assorbitori di luce sintetici possono essere integrati con microbi non fotosintetici per alimentare la reazione centrale della fotosintesi naturale. Questo risultato è stato possibile grazie a un approccio interdisciplinare che prevede un'attenta selezione e combinazione di semiconduttori con enzimi isolati e microbi ingegnerizzati in un dispositivo a energia solare. Questo approccio apre nuove ed entusiasmanti opportunità di produrre sostanze chimiche di alto valore attraverso sistemi semi-biologici per una produzione sostenibile, sfruttando le frontiere della biologia sintetica."