Scoperto nuovo sistema per produrre biocarburanti dalla lignina

I ricercatori dell’Università della California – Santa Barbara hanno dimostrato che la lignina, materiale resistente e legnoso, può essere scomposta in un ambiente anaerobico. In questo modo hanno aperto la strada a un nuovo sistema di produzione del biocombustibile che utilizza una frazione dello scarto biologico sinora non utilizzato.

Materiale resistente, la lignina è il biopolimero strutturale che conferisce a fusti, cortecce e rami la loro caratteristica legnosità. La lignina, uno dei polimeri terrestri più abbondanti sulla Terra, circonda preziose fibre vegetali e altre molecole che potrebbero essere convertite in biocarburanti e altri prodotti chimici di base, se solo riuscissimo a superare la sua rigida parete cellulare.
In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Microbiology, i ricercatori del laboratorio di ingegneria chimica e biologica della UC Santa Barbara, Michelle O’Malley, hanno dimostrato che un gruppo di funghi anaerobi – i Neocallimastigomiceti – è all’altezza del compito.

Fortunatamente, questo processo piuttosto laborioso avviene già nell’intestino dei grandi erbivori, grazie all’azione dei microbi anaerobi su cui si basano mucche, capre e pecore per rilasciare i nutrienti intrappolati dietro il biopolimero. I ricercatori hanno condotto questo lavoro in collaborazione con i colleghi del Joint Genome Institute del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), del Lawrence Berkeley National Laboratory, del Joint BioEnergy Institute e del Great Lakes Bioenergy Research Center.

O’Malley, la cui ricerca si concentra sulla ricerca e sull’accesso a fonti alternative di energia e sostanze chimiche da quelli che altrimenti sarebbero considerati rifiuti vegetali, ha spiegato: “Si può pensare alla lignina come a una sorta di sistema scheletrico delle piante. La lignina è davvero importante: fornisce resistenza e struttura, ma è altrettanto difficile da abbattere per lo stesso motivo”. Inoltre, la lignina ha proprietà che rendono la pianta resistente alla degradazione fisica da parte di enzimi e patogeni ed è questo che rende il legno relativamente facile da conservare.

Per decenni si è pensato che la lignina potesse essere degradata solo in presenza di ossigeno. “Ci vuole tempo e dipende da alcune specie chimiche – come i radicali liberi – che, per quanto ne sappiamo, possono essere prodotte solo con l’aiuto dell’ossigeno”, ha osservato O’Malley.

Tuttavia, si è sempre pensato che la natura avesse più di un modo per eliminare la lignina. Nel mondo della biomassa industriale, per accedere alla cellulosa e all’emicellulosa dietro la lignina, la biomassa vegetale deve essere sottoposta a un pre-trattamento. Ma nel lavoro del laboratorio O’Malley con i microbi anaerobi, il pretrattamento non è mai stato necessario.

“Non abbiamo mai dovuto estrarre la lignina da lì perché i funghi con cui lavoriamo sono altrettanto felici di estrarre la cellulosa e l’emicellulosa da soli“, ha detto. “Quindi il fatto che questi funghi potessero crescere su biomassa vegetale non pretrattata è sempre stata una caratteristica unica e insolita, e abbiamo ipotizzato che dovessero avere un modo per spostare la lignina“.

Per scoprirlo, il laboratorio O’Malley ha condotto esperimenti con i membri del gruppo dei Neocallimastigomiceti. Tom Lankiewicz, autore principale dello studio, ha coltivato alcuni di questi funghi su pioppo, sorgo e switchgrass in un ambiente privo di ossigeno. Questi tre tipi di biomassa sono stati scelti per i diversi modi in cui la lignina si presenta in natura, dagli steli e dalle foglie flessibili delle erbe al legno più rigido del pioppo. Inoltre, queste piante sono oggetto di attenzione da parte del Dipartimento dell’energia USAcome potenziali materie prime per biocarburanti e prodotti a base biologica.
Il team ha quindi seguito i progressi dei funghi mentre lavoravano sulle fibre resistenti e ha scoperto che effettivamente Neocallimastix californiae ha abbattuto le rigide pareti cellulari delle piante. Utilizzando tecniche di imaging avanzate come la risonanza magnetica nucleare, è stato possibile identificare le rotture specifiche dei legami di lignina in assenza di ossigeno.

“Si tratta di un vero e proprio cambiamento di paradigma per quanto riguarda il modo in cui si pensa al destino della lignina in assenza di ossigeno“, ha detto O’Malley. “Si potrebbe estendere questo studio per capire cosa succede alla lignina in una pila di compost, in un digestore anaerobico o in ambienti molto profondi dove non c’è ossigeno. Questo spinge la nostra comprensione di ciò che accade alla biomassa in questi ambienti e altera la nostra percezione di ciò che è possibile e della chimica di ciò che accade lì”.

Sebbene questa ricerca dimostri che la lignina può essere scomposta dai funghi in ambienti privi di ossigeno, la prossima sfida per i ricercatori è scoprire esattamente come. Ci sono enzimi che mediano questo processo? È una caratteristica degli anaerobi in generale? Come in ogni ricerca interessante, ogni risposta porta ad altre domande, che invitano a ulteriori ricerche e collaborazioni fruttuose. Comunque questa ricerca apre la strada ad un nuovo metodo, molto più efficiente, per produrre biocarburanti partendo dalle biomasse che, a questo punto, verrebbero completamente scomposte. Anche residui vegetali di scarsa qualità, come quelli risultanti dalla falciatura dei giardini, sarebbero convertibili, quasi per intero, in biocarburanti. Un modo più efficiente per produrre benzina e diesel lontano dal petrolio che non dovrebbe essere sottovalutato.