Approvvigionamento sostenibile di proteine: trasformare l’energia solare in proteine
In laboratorio, il fotovoltaico, l’idrogeno e gli enzimi specializzati stanno sostituendo la coltivazione di colture foraggere ricche di proteine
Secondo le proiezioni delle Nazioni Unite, la domanda alimentare globale potrebbe aumentare di circa il 60% entro il 2050, mentre si prevede che la disponibilità di terreni agricoli aumenti solo del 2% circa. I ricercatori dell’Università Tecnica di Monaco (TUM) stanno quindi esplorando nuovi approcci per garantire la sicurezza alimentare. Un team del Campus Straubing della TUM ha sviluppato un processo per la produzione di aminoacidi essenziali a partire da anidride carbonica, idrogeno ed energia rinnovabile.
Viktoria Lehmann, dottoranda presso la cattedra di Chimica delle risorse biogeniche della TUM, descrive una potenziale applicazione degli aminoacidi prodotti con tecniche biotecnologiche: «Una vacca da latte ha bisogno di molto più dell’erba che cresce nel suo pascolo. Per ottenere un’elevata produzione di latte sono necessarie proteine supplementari, che in genere vengono fornite attraverso i mangimi. Questi mangimi sono arricchiti con aminoacidi, i mattoni chimici delle proteine. Nei sistemi di produzione zootecnica di tutto il mondo, milioni di tonnellate di aminoacidi vengono utilizzate come additivi per mangimi. Tuttavia, la loro produzione consuma grandi quantità di terra, acqua e altre risorse. Volevamo trovare un modo più efficiente dal punto di vista delle risorse per soddisfare questa domanda di proteine».
In uno studio pubblicato di recente, il team ha illustrato il proprio approccio. Il concetto alla base è il seguente: l’energia solare viene convertita in elettricità tramite impianti fotovoltaici. Questa elettricità viene utilizzata per generare idrogeno che, insieme all’anidride carbonica, viene convertito in metanolo — un alcool ampiamente utilizzato nell’industria come precursore chimico. Enzimi specializzati trasformano poi il metanolo, fase per fase, in aminoacidi. Il tipo di aminoacido prodotto dipende dagli enzimi specifici utilizzati.
«Le piante utilizzano la luce solare per produrre biomassa, ma lo fanno in modo relativamente inefficiente. Stiamo studiando un percorso alternativo in cui l’energia rinnovabile viene prima convertita in vettori di energia chimica e poi in preziosi elementi costitutivi delle proteine», afferma Volker Sieber, professore di Chimica delle risorse biogeniche e rettore del Campus Straubing della TUM. «A lungo termine, questo approccio potrebbe contribuire a un uso più produttivo del territorio disponibile e consentire una produzione più sostenibile di aminoacidi».
Una tecnologia modulare
Nel 2023 i ricercatori hanno dimostrato la produzione dell’aminoacido L-alanina a partire dal metanolo verde. Il loro ultimo lavoro estende l’approccio a un totale di sette aminoacidi. «Il nostro concetto modulare “plug-and-play” può essere paragonato a un kit di costruzione», afferma la dott.ssa Vivian Willers, la cui ricerca di dottorato ha gettato le basi per lo studio. «Quello che è iniziato con un singolo amminoacido si sta trasformando sempre più in una tecnologia di piattaforma per la produzione di elementi costitutivi delle proteine a partire da energia rinnovabile».
Il team è riuscito a produrre con successo gli aminoacidi glicina, serina, acido L-aspartico, L-valina, acido L-glutammico e L-prolina. In futuro, questa tecnologia potrebbe contribuire a ridurre la dipendenza da ingredienti per mangimi ricchi di proteine, come la soia, che non sempre vengono prodotti in modo sostenibile. Questi aminoacidi sono inoltre componenti chiave dei terreni di coltura utilizzati nella produzione di carne coltivata. Di conseguenza, i ricercatori intravedono applicazioni che vanno ben oltre l’agricoltura convenzionale.
Sebbene il team sia riuscito a dimostrare l’intera catena di processo – dall’anidride carbonica, passando per il metanolo, fino agli aminoacidi – gli attuali volumi di produzione sono ancora troppo bassi per un impiego commerciale. I ricercatori stanno quindi lavorando per migliorare ulteriormente le prestazioni degli enzimi coinvolti.
«Il nostro lavoro è innanzitutto una dimostrazione di fattibilità tecnologica», afferma il prof. Volker Sieber. «Abbiamo dimostrato che è possibile produrre un’ampia gamma di aminoacidi biologicamente rilevanti a partire dal metanolo derivato dalla CO₂. Ciò apre nuove possibilità per la produzione sostenibile di elementi costitutivi delle proteine».
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