BIOTECNOLOGIE/ Il biocarburante che nasce piegando le molecole di Alessia Losa, giovedì 12 gennaio 2012, http://www.ilsussidiario.net

Attualmente i modelli e gli strumenti di simulazione, disponibili per progettare in modo funzionale complessi dispositivi biologici sintetici volti poi all’applicazione, sono molto limitati. In un recente articolo pubblicato su Science (“Model-Driven Engineering of RNA Devices to Quantitatively Program Gene Expression”) è stato proposto un innovativo approccio di progettazione e di guida, che utilizza modelli meccanici e cinetici per simulare il ripiegamento della struttura del RNA (folding), fondamentale nello studio della regolazione dell’espressione genica. Tale metodica, assistita dall’utilizzo del computer che facilita la progettazione di molecole di RNA, è stata creata al Joint BioEnergy Institute (Jbei) di San Francisco, unità appartenente al Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (Doe). L’interesse del Jbei è principalmente focalizzato sullo sviluppo di biocarburanti avanzati.

Nei diversi livelli biologici, DNA, RNA e proteine, non bisogna tralasciare le interazioni: tra i geni, le proteine e le cellule vi è un’elevata complessità funzionale. L’utilizzo di simulazioni in vitro e in silicio potrà facilitare la comprensione della funzionalità in vivo dei processi metabolici atti alla produzione di nuove sostanze, importanti in diversi settori: terapeutico, farmaceutico ed energetico, quest’ultimo rivolti alla produzione di biocarburanti e di nuovi materiali.

In questi anni l’interesse è stato rivolto allo studio di forme ripiegate di RNA, note come aptameri, ribozimi e aptazimi. Più precisamente gli aptameri sono acidi nucleici a singolo filamento, lunghi 30-70 nucleotidi, caratterizzati da una specifica struttura tridimensionale che si lega direttamente alla proteina bersaglio; mentre i ribozimi, detti enzimi acidi ribonucleici, sono molecole di RNA con una struttura terziaria ben definita in grado di catalizzare una reazione chimica. I ribozimi, inoltre, contengono nella loro sequenza un sito attivo tipico del RNA ribosomiale e sono in grado di scindere i legami fosfodiesterici della propria sequenza o di altri RNA.

Nelle cellule è ben noto che i diversi RNA elaborano le informazioni contenute nel DNA e regolano l’espressione genica a livello della trascrizione, traduzione e degradazione. Così aptameri, ribozimi e aptazimi sintetici assemblati in modo statico o dinamico come regolatori di risposta possono controllare l’espressione dei geni in cellule di batteri, lieviti e mammiferi. Utilizzando i modelli e le simulazioni sviluppate al Jbei, quindi, si è potuto creare e si creeranno sistemi di controllo complessi basati su RNA, in grado di regolare un grande numero di geni con la finalità di ottenere prodotti desiderati.

Un’area in cui può essere applicato il tutto è quella implicata nella produzione di biocarburanti avanzati. Attualmente i biocarburanti (bioetanolo, biodiesel) sono prodotti dalla biomassa di piante di interesse agro-alimentare come il grano e il mais. La necessità è di avere grandi aree in cui coltivare piante destinate non solo all’alimentazione, ma alla raccolta di biomassa (foglie, fusti, granella) destinata alla produzione di biocarburante. Come è riportato dalla rivista PNAS del 13 dicembre 2011, le prospettive sono quelle di ingegnerizzare un batterio modello, Escherichia coli, in modo da generare nuovi ceppi capaci di bio-sintetizzare una vasta gamma di molecole chimiche come idrogeno, alcoli, acidi grassi e terpeni.

Una significativa sfida è quella di ottenere ceppi batterici di E. coli capaci di sintetizzare grandi quantità di un particolare enzima, la glicoside idrolasi (GH), in grado di convertire la lignocellulosa in zuccheri fermentabili. Diventa perciò possibile la manipolazione di microrganismi che porta all’ottenimento di nuovi ceppi di E. coli capaci sia di aumentare la digeribilità degli zuccheri complessi (cellulosa, emicellulosa, lignina), presenti nelle pareti cellulari dei tessuti delle piante, sia di produrre idrocarburi con proprietà simili ai combustibili derivati dal petrolio. Ciò ridurrà sicuramente i costi per la produzione di biocarburanti avanzati derivati da biomasse vegetali non incluse nella catena alimentare.

Infine, gli scienziati stanno applicando la progettazione e la modellizzazione del complesso ripiegamento della sequenza di RNA in un altro ambito per incrementare la sicurezza e l’efficacia delle terapie mediche di patologie tra cui il diabete e il Parkinson.

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