La professoressa Kristala Jones Prather ha reso più semplice trasformare i microbi in produttori efficienti delle sostanze chimiche desiderate, mantenendo alti livelli di purezza e costi ragionevoli.
di Leigh Buchanan
Gli ingegneri biomedici hanno un problema: le cellule sono egoiste. Si concentrano sulla loro crescita mentre gli scienziati vorrebbero utilizzarle per produrre composti chimici per applicazioni industriali. Kristala L. Jones Prather ha ideato uno strumento che soddisfa entrambi gli obiettivi contrastanti. La sua valvola metabolita rileva quando una coltura cellulare si è riprodotta abbastanza da sostenersi e quindi reindirizza il flusso metabolico, il movimento delle molecole in un percorso per sintetizzare il composto desiderato. I risultati: maggiore resa del prodotto e sufficiente crescita cellulare per mantenere la coltura sana e produttiva.
William E. Bentley, professore di bioingegneria all’Università del Maryland, segue il lavoro di Prather da più di due decenni. Definisce le valvole “un nuovo principio nell’ingegneria” che a suo parere sarà molto apprezzato nella comunità della ricerca. La loro capacità di eliminare i colli di bottiglia può rivelarsi così essenziale per coloro che tentano di sintetizzare una particolare molecola in quantità utili che “in molti casi potrebbe decidere se si tratta di un tentativo di successo o meno”, afferma Bentley.
Prather, Arthur D. Little Professor of Chemical Engineering del MIT, lavora nei campi intersecanti della biologia sintetica e dell’ingegneria metabolica: un luogo in cui la scienza, piuttosto che l’arte, imita la vita. Le valvole svolgono un ruolo importante nel suo obiettivo più ampio di programmare i microbi, principalmente l’E. coli, per produrre sostanze chimiche che possono essere utilizzate in un’ampia gamma di campi, tra cui energia e medicina. Lo fa osservando ciò che la natura è in grado di fare. Quindi ipotizza cosa può ottenere con il DNA inserito strategicamente.
“Stiamo aumentando la capacità di sintesi dei sistemi biologici”, afferma Prather. “Dobbiamo spingerci oltre ciò che la biologia può fare naturalmente e iniziare a ottenere composti che normalmente non si producono”. La studiosa descrive il suo lavoro come la creazione di un nuovo tipo di fabbrica chimica all’interno delle cellule microbiche, una che produce composti ultra puri in modo efficiente su larga scala.
Convincere i microbi a produrre i composti desiderati è più sicuro e più rispettoso dell’ambiente rispetto alla tradizionale sintesi chimica, che in genere comporta alte temperature, alte pressioni e strumentazione complicata e, spesso, sottoprodotti tossici. Non è sua l’idea di trasformare i microbi in fabbriche chimiche, ma il suo laboratorio è noto per lo sviluppo di strumenti e processi di messa a punto che rendono il processo efficiente e pratico.
Il suo approccio si basa sull’acido glucarico, che ha molteplici applicazioni commerciali, alcune delle quali nel settore green. Gli impianti di trattamento delle acque, per esempio, si affidano ai fosfati per prevenire la corrosione nei tubi e per legarsi a metalli come piombo e rame, in modo che non penetrino nella rete idrica. Ma i fosfati alimentano anche le fioriture di alghe nei laghi e negli oceani. L’acido glucarico fa lo stesso lavoro dei fosfati senza alimentare quelle fioriture tossiche.
La produzione di acido glucarico nel modo consueto, attraverso l’ossidazione chimica del glucosio, è costosa, spesso produce un prodotto non molto puro e crea molti rifiuti pericolosi. Le fabbriche microbiche di Prather lo producono con alti livelli di purezza e senza i sottoprodotti tossici, a un costo ragionevole.Nel 2011 ha cofondato la startup Kalion, per mettere in pratica il suo approccio alla fabbrica microbica.
L’azienda, che sta organizzando la produzione su larga scala in Slovacchia, ha diversi potenziali clienti che vanno dal settore petrolifero a quello farmaceutico. Il suo prodotto è richiesto, per esempio, nella produzione del farmaco per l’ADHD Adderall. Può essere anche utilizzato per rendere i tessuti più resistenti, il che potrebbe portare a un riciclaggio più efficace del cotone e di altri materiali naturali.
Il primo obiettivo di Kalion sono i fosfati, in virtù delle loro applicazioni commerciali immediate. Ma nella sua ricerca più ampia, Prather ha di mira il petrolio. Desiderosa di produrre alternative più ecologiche alla benzina e alla plastica, lei e il suo gruppo di ricerca al MIT stanno usando i batteri per sintetizzare molecole che normalmente sarebbero derivate dal petrolio.
Dal Texas orientale al MIT
Nata a Cincinnati, Prather è cresciuto a Longview, in Texas, sullo sfondo di pompe e torri petrolifere. Suo padre è morto prima che lei compisse due anni e sua madre ha lavorato al Wylie College, una piccola scuola storicamente nera, dove si è laureata nel 2004. Prather aveva solo vaghe idee sulle opportunità accademiche e professionali al di fuori del suo stato. Con gli opuscoli del college che inondavano la cassetta delle lettere della famiglia nel suo primo anno, ha chiesto consiglio a un insegnante di storia.
“La matematica era la mia materia preferita al liceo e mi piaceva anche la chimica”, dice Prather. L’insegnante le disse che matematica più chimica equivalevano a ingegneria chimica e che se voleva diventare un ingegnere doveva andare al MIT. “Cos’è il MIT?” chiese Prather. Altri nella comunità non erano meglio informati. Quello che allora era il DeVry Institute of Technology, una scuola a scopo di lucro con una reputazione accademica tutt’altro che stellare e campus in tutto il paese, veniva continuamente pubblicizzato in televisione. Quando ha detto agli amici che sarebbe andata al MIT, hanno pensato che fosse una filiale di DeVry nel Massachusetts.
Nel giugno del 1990 Prather arrivò al campus per partecipare a Interphase, un programma offerto dall’Office of Minority Education del MIT. Progettato per facilitare la transizione per gli studenti in arrivo, Interphase “è stato un punto di svolta”, afferma Prather. In quegli anni ha studiato l’ingegneria dei bioprocessi, che utilizza cellule viventi per indurre i cambiamenti chimici o fisici desiderati in un materiale. A quel tempo gli scienziati trattavano le cellule da cui inizia il processo come qualcosa di fisso.
Prather rimase affascinata dall’idea che si potesse progettare non solo il processo, ma anche la biologia della cellula stessa. Dopo la laurea nel 1994, Prather ha conseguito il dottorato di ricerca presso l’Università della California, a Berkeley, dove era seguita da Jay Keasling, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare che era in prima linea nel nuovo campo della biologia sintetica. A Berkeley, Prather cercò strategie per spostare il DNA all’interno e all’esterno delle cellule per ottimizzare la creazione delle proteine volute.
Poco dopo, Prather decise che un soggiorno nel mondo aziendale avrebbe ridotto il rischio che la sua carriera accademica fosse consegnata all’irrilevanza del mondo reale. Trascorse i successivi quattro anni alla Merck, in un gruppo che sviluppava processi per produrre proteine terapeutiche e vaccini. L’azienda impiegava orde di chimici per produrre grandi quantità di composti chimici da utilizzare in nuovi farmaci. Quando una parte di quel processo sembrava fare riferimento al campo biologico, lo passavano al dipartimento in cui lavorava Prather, che usava gli enzimi per eseguire il passaggio successivo.
Prather era incuriosita dalla possibilità di eseguire non solo i singoli passaggi, ma l’intera sintesi chimica all’interno delle cellule, utilizzando catene di reazioni chiamate vie metaboliche. Quel lavoro ispirò quelle che sarebbero diventate alcune delle sue ricerche più acclamate al MIT, dove è entrata a far parte della facoltà nel 2004.
Come produrre plastica green
Non molto tempo dopo essere tornata al MIT, questa giovane donna della zona petrolifera del Texas ha messo nel mirino i combustibili fossili e i loro sottoprodotti. Molti dei progetti del suo laboratorio si sono concentrati sulla sostituzione del petrolio come materia prima. In uno, una collaborazione con i colleghi del MIT Brad Olsen, un ingegnere chimico, e Desiree Plata, un ingegnere civile e ambientale, Prather ha usato la biomassa per creare polimeri rinnovabili che potrebbero portare a un tipo di plastica green.
Il suo laboratorio sta cercando di capire come indurre i microbi a convertire lo zucchero dalle piante in monomeri che possono poi essere trasformati chimicamente in polimeri per creare plastica. Alla fine della sua vita utile, la plastica si biodegrada e si trasforma di nuovo in sostanze nutritive. Questi nutrienti “daranno vita a più piante da cui si possono estrarre più zuccheri da trasformare in nuove sostanze chimiche che diventeranno nuove plastiche”, afferma Prather.
In questi giorni al centro dell’attenzione si trova la sua ricerca sull’ottimizzazione dei percorsi metabolici, tesa a massimizzare la resa di un prodotto desiderato. La sfida è che le cellule danno la priorità all’uso di nutrienti, come il glucosio, per crescere piuttosto che per produrre questi composti desiderabili. Più crescita per la cellula significa meno prodotto per lo scienziato.
Si prenda l’acido glucarico, la sostanza chimica prodotta dall’azienda di Prather, che secondo Keasling è estremamente importante per l’industria. Il laboratorio aziendale ha aggiunto a E.coli tre geni, tratti da topi, lievito e un batterio, consentendo al batterio di trasformare un tipo di zucchero semplice in acido glucarico. Ma il batterio aveva allo stesso tempo bisogno di quello zucchero per un percorso metabolico che scompone il glucosio per alimentare la sua crescita e riproduzione.
Il team di Prather voleva deviare lo zucchero in un percorso per la produzione di acido glucarico, ma solo dopo che la coltura batterica fosse cresciuta abbastanza da sostenersi come una fabbrica chimica attiva. Per fare ciò hanno utilizzato il quorum sensing, un tipo di comunicazione attraverso il quale i batteri condividono informazioni sui cambiamenti nel numero di cellule nella loro colonia, che consente loro di coordinare funzioni a livello di colonia come la regolazione genica.
Il team ha progettato ogni cellula per produrre una proteina che poi crea una molecola chiamata AHL. Quando il quorum sensing rileva una certa quantità di AHL, la quantità prodotta nel tempo necessario alla coltura per raggiungere una dimensione sostenibile, attiva un interruttore che disattiva la produzione di un enzima che fa parte del processo di degradazione del glucosio. Il glucosio si sposta nella direzione della sintesi chimica.
Gli interruttori di Prather, chiamati valvole dei metaboliti, sono ora utilizzati in processi che sfruttano i microbi per produrre un’ampia gamma di sostanze chimiche desiderate. Le valvole si aprono o si chiudono in risposta ai cambiamenti nella densità di particolari molecole in un percorso. Questi interruttori possono essere messi a punto per ottimizzare la produzione senza compromettere la salute dei batteri, aumentando allo stesso tempo drasticamente la produzione. Il documento di punta dei ricercatori, pubblicato su “Nature Biology” nel 2017, è stato citato quasi 200 volte. L’obiettivo a questo punto è produrre di più.
Come molti dei meccanismi utilizzati da Prather nella sua ricerca, tali interruttori esistono già in biologia. “Le cellule che producono cose come gli antibiotici hanno un modo naturale di creare di più in autonomia, quindi di impiegare le loro risorse nella creazione del prodotto”, spiega. “Abbiamo sviluppato un modo sintetico di imitare la natura”.
Il consigliere di Prather a Berkeley, Keasling, ha utilizzato un derivato dell’interruttore ispirato dalla sua ricerca. “Lo strumento per incanalare il flusso metabolico, il flusso di materiale attraverso una via metabolica, è un lavoro estremamente importante che penso sarà ampiamente utilizzato in futuro dagli ingegneri metabolici”, afferma.
Tuttavia, al di là delle innovazioni, al di là delle scoperte, l’obiettivo principale di Pratherè creare scienziati indipendenti di successo. “La cosa più importante che facciamo come scienziati è formare studenti e dottori di ricerca”, afferma. “Se i tuoi studenti sono ben formati e pronti a far progredire la conoscenza, anche se la cosa su cui stiamo lavorando non va da nessuna parte, per me è una vittoria.”
(rp)
