In un articolo rivoluzionario pubblicato su Science, un team di scienziati del California Institute of Technology (Caltech) ha svelato un risultato straordinario nel campo dell’evoluzione enzimatica. Intitolata “Directed evolution of enzymatic silicon-carbon bond cleavage in siloxanes,” la ricerca introduce un approccio innovativo alla manipolazione di varianti del citocromo P450 batterico per la rottura di legami silicio-carbonio nei metilsilossani volatili (VMS), un sottogruppo prominente della famiglia dei silossani.
Evoluzione Innovativa per Ingegnerizzare il Citocromo P450
Utilizzando la tecnica innovativa dell’evoluzione artificiale, gli scienziati, guidati dalla dottoressa Frances Arnold, professore di ingegneria chimica, bioingegneria e biochimica presso il Caltech, hanno mirato a ingegnerizzare una variante del citocromo P450 in grado di rompere efficientemente i legami silicio-carbonio nei VMS lineari e ciclici. Questo metodo non solo apre le porte alla creazione di prodotti industrialmente preziosi, ma affronta anche le preoccupazioni ambientali associate ai VMS, noti per il loro potenziale inquinante.
I ricercatori hanno avviato il progetto identificando una variante del citocromo P450 dalla loro collezione di enzimi, il quale mostrava una capacità modesta di rompere i legami silicio-carbonio. Questo è servito come punto di partenza per l’evoluzione dell’attività di rottura del legame Si-C. Attraverso una serie di mutazioni al DNA dell’enzima, il team ha testato sistematicamente nuove varianti, con i candidati più promettenti sottoposti a ulteriori mutazioni nelle fasi successive dei test. Il processo iterativo ha portato allo sviluppo di un enzima che dimostra un’attività significativa nella rottura dei legami silicio-carbonio, consentendo uno studio approfondito dei prodotti della reazione e del relativo meccanismo.
Implicazioni Oltre l’Ingegnerizzazione Enzimatica
Frances Arnold, pioniera dell’evoluzione diretta e vincitrice del Premio Nobel per la Chimica nel 2018 per il suo lavoro rivoluzionario, ha spiegato le più ampie implicazioni della ricerca, affermando: “Ad esempio, organismi naturali potrebbero evolvere in ambienti ricchi di silossani per catalizzare una reazione simile, o versioni ulteriormente migliorate di enzimi evoluti in laboratorio come questo potrebbero essere utilizzate per trattare contaminanti di silossani nelle acque reflue.”
La rilevanza di questa ricerca si estende oltre le sue applicazioni nell’ingegnerizzazione enzimatica. I silossani, con le loro proprietà materiali uniche derivanti dallo scheletro silicio-ossigeno e dai gruppi silicio-metile, presentano caratteristiche sia inorganiche che organiche. Il dottor Dimitris (Dimi) Katsoulis di Dow Inc., un contributore chiave allo studio, ha sottolineato: “Lo scheletro silicio-ossigeno conferisce al polimero un carattere simile a quello inorganico, mentre i gruppi silicio-metile conferiscono al polimero caratteristiche simili a quelle organiche. Pertanto, questi polimeri presentano proprietà materiali uniche, come elevata stabilità termica e ossidativa, bassa tensione superficiale ed elevata flessibilità dello scheletro, tra le altre.”
Ricerca Parallela
In uno studio parallelo intitolato “A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate),” un altro gruppo di ricercatori ha esplorato il campo della degradazione della plastica attraverso un enzima degradante il polietilene tereftalato (PET). Scoperto nel batterio Ideonella sakaiensis nel 2016, questo enzima ha suscitato interesse per la possibilità di utilizzare agenti biologici al fine affrontare la crisi globale dell’inquinamento da plastica. Lo studio riflette uno sforzo collettivo per sfruttare il potere dell’evoluzione enzimatica per applicazioni ambientalmente significative.
La convergenza di questi studi mette in evidenza la versatilità dell’evoluzione artificiale come strumento per affrontare sfide ambientali e sbloccare il potenziale degli enzimi. Mentre i ricercatori continuano ad approfondire le complessità dell’evoluzione diretta, la comunità scientifica è pronta ad assistere a ulteriori progressi con implicazioni di vasta portata per l’industria e la sostenibilità ambientale.