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Mais preparato per produrre biocarburanti
Nel tentativo di contribuire ad aumentare la fornitura nazionale di biocarburanti, i ricercatori hanno creato tre ceppi di mais geneticamente modificato per produrre enzimi che scompongono la cellulosa della pianta in zuccheri che possono essere fermentati in etanolo. Incorporare tali enzimi direttamente nelle piante potrebbe ridurre il costo di conversione della cellulosa in biocarburante.
Germogli e foglie: Per facilitare la scomposizione della cellulosa in zuccheri fermentabili per la produzione di etanolo, Mariam Sticklen della Michigan State University sta modificando geneticamente il mais con geni che producono enzimi che degradano la cellulosa negli steli e nelle foglie della pianta. Gli enzimi si attivano solo dopo la raccolta del mais, quando la pianta è macinata.
L'anno scorso, nuove normative federali richiedevano che la produzione di combustibili rinnovabili aumentasse a 36 miliardi di galloni all'anno, quasi cinque volte i livelli attuali, entro il 2022. Oggi, quasi tutto l'etanolo combustibile negli Stati Uniti è prodotto dai chicchi di mais. Per soddisfare l'aumento richiesto, i ricercatori si stanno rivolgendo ad altre fonti, come la cellulosa, un carboidrato complesso presente in tutte le piante. Foglie e steli di mais, erbe della prateria e trucioli di legno sono i principali candidati per le forniture di cellulosa. L'etanolo cellulosico ha molti vantaggi rispetto a quello prodotto dai chicchi di mais. La cellulosa non è solo estremamente abbondante e poco costosa; gli studi suggeriscono anche che la produzione e l'uso di etanolo dalla cellulosa potrebbe produrre meno gas serra.
Tuttavia, il più grande ostacolo per rendere commercialmente fattibile l'etanolo cellulosico è la scomposizione della cellulosa. Gli enzimi che degradano la cellulosa, chiamati cellulasi, sono tipicamente prodotti da microbi cresciuti all'interno di grandi bioreattori, un processo costoso e ad alta intensità energetica. Per rendere l'etanolo cellulosico davvero competitivo, dobbiamo davvero ridurre quei costi, afferma Michael J. Blaylock, vicepresidente dello sviluppo del sistema presso Edenspace, un'azienda di biotecnologia delle colture con sede a Manhattan, KS.
Mariam Sticklen, professore di scienze delle colture e del suolo alla Michigan State University, a East Lansing, ha pensato di poter eliminare il costo della produzione di enzimi ingegnerizzando piante di mais per produrre gli enzimi stessi. Invece di fare affidamento sul processo ad alta intensità energetica di produrli nei bioreattori, le piante usano l'energia libera del sole per produrre gli enzimi, dice.
Tipicamente, la scomposizione della cellulosa richiede tre diverse cellulasi. L'anno scorso, Sticklen ha riferito di aver modificato il mais con un gene per una cellulasi che taglia le lunghe catene di cellulosa in pezzi più piccoli. Il gene proviene da un microbo che vive in una sorgente termale. Un mese dopo, Sticklen ha inserito un gene derivato da un fungo del suolo nel genoma del mais. Quel gene codifica per un enzima che rompe i pezzi più piccoli di cellulosa in coppie di molecole di glucosio. In quest'ultimo sforzo, Sticklen ha modificato il mais per produrre un enzima che divide le coppie di glucosio in singole molecole di zucchero; l'enzima è prodotto naturalmente da un microbo che vive all'interno dello stomaco di una mucca. Il risultato finale: tre ceppi di mais, ciascuno dei quali produce un enzima essenziale per la completa scomposizione della cellulosa.
Per evitare la possibilità di trasferire i geni ad altre colture o piante selvatiche, gli enzimi vengono prodotti solo nelle foglie e negli steli della pianta, non nei suoi semi, radici o polline, afferma Sticklen. Inoltre, per evitare che il mais si digerisca da solo, ha ingegnerizzato le piante in modo che gli enzimi si accumulino solo in speciali scomparti di stoccaggio all'interno delle cellule, chiamati vacuoli. Le cellulasi vengono rilasciate solo dopo la raccolta della pianta, durante la lavorazione. Sticklen ha descritto le sue colture modificate la scorsa settimana all'incontro nazionale dell'American Chemical Society a New Orleans.
Sebbene sia possibile incorporare tutti e tre i geni in una singola pianta, afferma Sticklen, l'utilizzo di tre diverse varietà di mais, ciascuna portatrice di un gene diverso, le consentirà di controllare la conversione della cellulosa in zuccheri. Studi preliminari mostrano che gli enzimi sono efficienti quanto gli enzimi disponibili in commercio se combinati in un rapporto di 1:4:1, afferma. I risultati suggeriscono che la miscelazione delle tre diverse piante utilizzando gli stessi rapporti fornirà il miglior risultato.
Penso che la strategia di compartimentare gli enzimi nei vacuoli sia eccezionale, afferma Susan Leschine, microbiologa dell'Università del Massachusetts Amherst. La domanda che ho è: gli enzimi funzionano in condizioni realistiche? Ad esempio, diverse specie di microbi secernono le proprie cellulasi che lavorano in sinergia per sgretolare le fibre di cellulosa. Non è chiaro, dice Leschine, quanto bene un enzima prelevato da un microbo che vive in una sorgente calda funzionerà con un enzima estratto da un fungo del suolo. Questi diversi enzimi potrebbero non essere attivi nelle stesse condizioni, dice.
Edenspace, che sta attualmente sviluppando la tecnologia di Sticklen, prevede di iniziare le prove sul campo del suo mais geneticamente modificato entro l'anno, con l'obiettivo di commercializzare la tecnologia entro i prossimi tre anni, afferma Blaylock. L'azienda non è la sola a perseguire questa strategia: Agrivida, un'azienda biotecnologica agricola con sede a Medford, MA, sta anche modificando geneticamente il mais per semplificare la produzione di etanolo cellulosico.
Questo è davvero un percorso utile da seguire, afferma Michael Ladisch, professore di ingegneria agricola e biologica alla Purdue University, a West Lafayette, IN. Tuttavia, alla fine della giornata, è più complicato di quanto sembri. L'ostacolo principale è trovare modi per garantire che gli enzimi sopravvivano al pretrattamento chimico e fisico necessario per rimuovere la lignina, il polimero resistente nelle pareti cellulari che fornisce forza alle piante, dalle fibre di cellulosa, afferma Ladisch, che attualmente è in congedo da Purdue ricoprirà il ruolo di direttore tecnico presso Mascoma, una società di biocarburanti con sede a Brighton, MA.
Una soluzione è progettare gli impianti in modo che richiedano solo un lieve pretrattamento. Ad esempio, Sticklen sta lavorando per ridurre la quantità di lignina contenuta nel mais, oltre a modificare la configurazione molecolare della lignina, che ne renderebbe più facile la decomposizione. Sebbene il suo lavoro sia attualmente concentrato sulla modifica del mais, Sticklen afferma che la tecnologia potrebbe eventualmente essere trasferita anche ad altre colture, come l'erba rampicante.