Sbloccare le potenzialità della fotosintesi cianobatterica per convertire direttamente l’anidride carbonica in glucosio

Nature Communications volume 14, numero articolo: 3425 (2023) Citare questo articolo

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Il glucosio è il monosaccaride più abbondante e funge da fonte di energia essenziale per le cellule in tutti gli ambiti della vita e da importante materia prima per l’industria della bioraffineria. La via pianta-biomassa-zucchero domina l’attuale fornitura di glucosio, mentre la conversione diretta dell’anidride carbonica in glucosio attraverso la fotosintesi non è ben studiata. Qui, mostriamo che il potenziale di Synechococcus elongatus PCC 7942 per la produzione di glucosio fotosintetico può essere sbloccato prevenendo l'attività nativa della glucochinasi. L'eliminazione di due geni della glucochinasi provoca un accumulo intracellulare di glucosio e promuove la formazione di una mutazione spontanea nel genoma, che alla fine porta alla secrezione di glucosio. Senza catalisi eterologa o geni di trasporto, il deficit di glucochinasi e la mutazione genomica spontanea portano a una secrezione di glucosio di 1,5 g/L, che viene ulteriormente aumentata a 5 g/L attraverso l'ingegneria metabolica e di coltivazione. Questi risultati sottolineano le plasticità del metabolismo dei cianobatteri e dimostrano le loro applicazioni per supportare la produzione fotosintetica diretta di glucosio.

Il glucosio è la molecola monosaccaride più abbondante in natura. La scomposizione del glucosio fornisce energia e materiali di carbonio nelle cellule in tutti i domini della vita, alimentando il meccanismo cellulare attraverso diverse vie glicolitiche, tra cui la via Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), la via ossidativa del pentoso fosfato (OPP) e la via Entner –Via Doudoroff (ED)1,2. Come monomeri, il glucosio e i suoi derivati ​​sono coinvolti anche nella sintesi di varie macromolecole e componenti cellulari3,4. Inoltre, il glucosio funge anche da importante materia prima nel settore della bioraffineria, supportando la coltivazione di molteplici fabbriche di cellule microbiche per la bioproduzione verde di carburanti, prodotti chimici e prodotti farmaceutici5,6,7. In natura, il glucosio viene sintetizzato principalmente attraverso la fotosintesi di piante e alghe ed esiste come monomeri di polisaccaridi nella biomassa di piante/alghe, ad esempio cellulosa e amido. La via pianta-biomassa-zucchero domina l’attuale massiccio approvvigionamento di glucosio, la cui fattibilità economica è influenzata da molteplici parametri, come i cicli di coltivazione delle piante, il raggio di raccolta della biomassa e i costi di pretrattamento8,9,10,11.

Nel contesto della crisi climatica globale e del peggioramento della carenza alimentare, sarebbe utile sviluppare percorsi di produzione del glucosio più efficienti, continui e industriali12,13. Negli ultimi anni, la conversione diretta dell'anidride carbonica in glucosio, precursori del glucosio e polimeri del glucosio è stata ottenuta mediante percorsi enzimatici a cascata chimico-biochimici, elettrochimici-biologici e in vitro14,15,16. Al contrario, la produzione continua di glucosio non è stata collegata direttamente con successo alla fotosintesi. Nei fotoautotrofi, ad esempio nelle piante superiori e nelle alghe, il glucosio viene sintetizzato come deposito di carbonio ed energia e svolge importanti ruoli regolatori. Il metabolismo del glucosio possiede interazioni complesse con i fotosistemi, disturba la sintesi e il metabolismo dei pigmenti e potrebbe persino inibire le attività fotosintetiche17,18,19; quindi, il glucosio libero viene raramente sintetizzato o accumulato in eccesso nel metabolismo cellulare fotosintetico. Nei cianobatteri, un gruppo di microalghe procariotiche ossigenate, sono stati compiuti alcuni progressi per facilitare la sintesi diretta e la secrezione di zuccheri naturali o non naturali attraverso manipolazioni genetiche20,21,22. Tuttavia, la produzione fotosintetica del glucosio non è stata ancora ben studiata. I ceppi ricombinanti possono produrre solo quantità limitate di glucosio accompagnate dalla produzione di altri zuccheri, suggerendo che meccanismi più dettagliati del metabolismo del glucosio nei fotoautotrofi devono ancora essere divulgati23,24.

In questo lavoro, miriamo a progettare una conversione diretta e stabile dell'anidride carbonica in glucosio attraverso la fotosintesi dei cianobatteri. In un modello di cianobatterio Synechococcus elongatus PCC 7942 (di seguito PCC 7942 in breve), identifichiamo l'attività nativa della glucochinasi come il collo di bottiglia che limita il potenziale metabolico per la sintesi del glucosio. L'eliminazione mirata di due geni della glucochinasi disturba il metabolismo dei carboidrati e attiva un flusso metabolico verso il glucosio attraverso la rete metabolica del saccarosio, che è generalmente considerata una risposta specializzata allo stress osmotico. La sintesi potenziata del glucosio promuove l'arricchimento di una specifica mutazione genomica spontanea sul cromosoma PCC 7942, che facilita un'efficiente secrezione di glucosio. Implementando molteplici approcci omici combinati con manipolazioni genetiche sistematiche, chiariamo i percorsi e le mutazioni che portano alla sintesi e alla secrezione del glucosio e ottimizziamo le prestazioni di sintesi del glucosio dei ceppi ricombinanti. Attraverso la successiva ingegneria metabolica e l’ottimizzazione della coltivazione, il glucosio secreto dal ceppo ingegnerizzato supera i 5 g/L durante la coltivazione a lungo termine, rappresentando fino al 70% della fonte fissa di carbonio.