Un comune batterio del suolo potrebbe contribuire a liberarci dalla dipendenza dal petrolio, trasformando i rifiuti vegetali in una risorsa per creare carburanti, plastiche e bioprodotti.

Uno studio della Northwestern University, pubblicato su Communications Biology, illustra come il batterio Pseudomonas putida sia in grado di riprogrammare il suo sistema digestivo per trasformare la lignina – biomassa difficile da “digerire” che conferisce rigidità alle piante – in energia e composti chimici ad alto valore aggiunto: biocarburanti, bioplastiche e altre sostanze chimiche utili. Una ricerca che fornisce, come dichiara la coordinatrice dello studio Ludmilla Aristilde, una roadmap per la sostenibilità, chiarendo come il batterio modula il proprio metabolismo durante la digestione del carbonio della lignina.

La lignina e il batterio Pseudomonas putida

Dopo la cellulosa, la lignina è il secondo biopolimero più abbondante sulla Terra. Potenziale materia prima sostenibile.

Il problema è che la sua struttura complessa la rende difficile da scomporre efficientemente. Tradizionalmente, la lignina rappresenta un sottoprodotto di scarto industriale (bioraffinerie, industria della carta, ecc.), con un impatto ambientale significativo.

Ma come illustra Aristilde, docente di ingegneria civile e ambientale alla McCormick School of Engineering della Northwestern, può essere una «fonte di carbonio abbondante, rinnovabile e sostenibile che potrebbe potenzialmente fornire un’alternativa al petrolio» per la produzione di plastiche e prodotti chimici di valore. Grazie proprio al batterio Pseudomonas putida.

Il team della Northwestern University ha osservato infatti che, quando alimentato con composti derivati dalla lignina, Pseudomonas putida non solo digerisce la lignina, ma lo fa con una strategia metabolica molto efficiente. Riorganizza completamente il suo metabolismo, rallentando alcune vie metaboliche e accelerandone altre, aumentando i livelli enzimatici per alcune reazioni metaboliche, anche di centinaia o migliaia di volte. È come se, invece di percorrere una “autostrada” intasata, il batterio deviasse il flusso di carbonio su “strade metaboliche secondarie” per evitare i colli di bottiglia, spiega la ricercatrice.

Il team ha mappato i “semafori” e gli “ingorghi” metabolici, utilizzando strumenti “multi-omici” (tra cui la proteomica e tecniche avanzate di tracciamento del carbonio) e ha scoperto che la rimodellazione metabolica permette al batterio di entrare in una modalità “ad alta energia”, producendo ben sei volte più ATP (la molecola che è la principale fonte di energia per le reazioni metaboliche) rispetto a quando digerisce composti più semplici. E così riesce a scomporre e riciclare la lignina estraendone energia.

Lignina: una miniera d’oro per l’economia circolare

Questa scoperta, spiegano gli autori dello studio (che è stato supportato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti), ha un impatto diretto sull’industria della biomanifattura. Per anni, infatti, la comunità scientifica ha cercato di sfruttare Pseudomonas putida per estrarre energia dalla lignina per la produzione di biocarburanti, bioplastiche e altre sostanze chimiche utili, ma mancava una comprensione approfondita del metabolismo del batterio. Ora sono state individuate le vie metaboliche chiave, i “semafori” e gli “ingorghi”.

«Siamo riusciti a determinare quali percorsi sono importanti per bilanciare l’energia in un modo ottimale per la cellula» chiarisce Ludmilla Aristilde, paragonando il modo in cui i batteri gestiscono le loro esigenze energetiche quando digeriscono la lignina al processo con cui noi ci procuriamo e consumiamo cibo. «Prima di mangiare, dobbiamo fare la spesa, cucinare e poi masticare. L’intero processo consuma energia, ma il consumo del cibo ci dà anche energia. C’è un equilibrio tra l’energia che spendiamo per preparare il cibo e l’energia che ricaviamo dal cibo. È lo stesso per i microbi del suolo».

Nel contesto della digestione della lignina, il bilancio energetico diventa particolarmente critico per i batteri, poiché la lignina è un biopolimero estremamente complesso e difficile da digerire: richiede molta energia. Ma il team ha chiarito appunto come il batterio Pseudomonas putida riorganizza completamente il proprio metabolismo e gestisce il bilancio energetico per digerire la lignina.

E così, spiega, si aprono nuovi scenari per sviluppare strategie più intelligenti per sfruttare i batteri per la produzione di prodotti sostenibili da scarti vegetali, promuovendo un’economia circolare e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e conseguente diminuzione delle emissioni di carbonio. E un ambiente con meno inquinanti è più salubre per tutti gli esseri viventi.