Enzima batterico evoluto in lab: fino a 1.800 volte più efficiente

Produrre un farmaco o un aroma alimentare spesso significa ossidare alcoli, una fase che i chimici realizzano di solito con ossidanti aggressivi ad alte temperature, lasciando dietro di sé rifiuti tossici. Gli organismi viventi offrono una via più delicata. I funghi producono galattosio ossidasi, enzimi che compiono le stesse reazioni su alcoli e zuccheri semplici in condizioni blande, usando l'ossigeno. Fino ad oggi, le versioni meglio caratterizzate provenivano dai funghi. Un team dell'Istituto di tecnologia chimica e biologica António Xavier dell'Università NOVA di Lisbona (ITQB NOVA), in Portogallo, ha ora descritto la prima galattosio ossidasi trovata nei batteri, che chiama PsGalOx.

L'enzima è stato difficile da gestire per anni. «Per diversi anni, l'enzima si è rivelato eccezionalmente difficile da produrre in forma solubile e quindi da caratterizzare», afferma Lígia Martins, che dirige il laboratorio Microbial & Enzyme Technology dell'ITQB NOVA. A cambiare le cose è stato AlphaFold, un sistema di intelligenza artificiale le cui previsioni di struttura hanno aiutato il team a visualizzare l'architettura insolita dell'enzima e a individuare modifiche capaci di migliorarne la produzione. La versione batterica possiede due moduli di legame allo zucchero quasi identici accanto al modulo catalitico, una caratteristica che le versioni fungine più note non hanno. Tomás Frazão, dottorando e uno dei primi autori dello studio, spiega che le due copie, che condividono circa 80% di identità di sequenza, hanno compiti distinti: una potenzia il legame con lo zucchero, l'altra contribuisce soprattutto alla stabilità della proteina. Il team sfida così il presupposto comune secondo cui tali moduli sarebbero intercambiabili.

I ricercatori hanno quindi applicato l'evoluzione diretta, che ricrea in laboratorio la selezione naturale: hanno introdotto mutazioni e vagliato migliaia di colonie batteriche alla ricerca di varianti migliori. I moduli simili si sono ricombinati in singoli moduli ibridi, e queste varianti hanno prodotto più proteina solubile. Il team ha inoltre constatato che una maggiore attività non significava necessariamente che l'enzima fosse diventato un catalizzatore migliore; gran parte del miglioramento derivava dal fatto che le cellule ne producevano di più, e riconoscerlo è stato decisivo per i progressi successivi. La variante finale è da 40 a 1.800 volte più efficiente nel trattare una serie di zuccheri e alcoli.

Per chimici e produttori, il vantaggio è una via potenzialmente più pulita per realizzare intermedi destinati alla produzione di alimenti, farmaci e materiali, dato che la reazione avviene in condizioni blande con l'ossigeno. Chi ne trarrà beneficio, e quando, non è ancora stabilito. Il team intende proseguire nell'ingegnerizzazione di PsGalOx per agire su «substrati di interesse pratico», puntando a un intermedio versatile per applicazioni alimentari, farmaceutiche e nei materiali, e vuole mappare la diversità evolutiva delle ossidasi batteriche. Non sono stati annunciati né partner industriali né una data commerciale.

I limiti sono chiari. Ogni risultato proviene da lavori di laboratorio, l'intervallo da 40 a 1.800 volte abbraccia molti substrati diversi anziché un solo prodotto, e l'enzima non è ancora stato segnalato in un processo industriale. Il prossimo banco di prova sarà verificare se gli stessi guadagni si confermano sugli zuccheri e sugli alcoli di cui hanno realmente bisogno i produttori.