La domanda d’energia mondiale è in continuo aumento e cresce proporzionalmente con l’incremento della popolazione e lo sviluppo economico. Tuttavia le risorse energetiche disponibili e riconducibili alle fonti fossili sono limitate. Nasce quindi il bisogno di trovare fonti d’energia rinnovabile da affiancare alle fonti energetiche tradizionali. Una possibilità è l’utilizzo della biomassa vegetale. Attualmente, gran parte del biocarburate deriva da amido e zucchero, ma questa produzione è in grado di soddisfare solo una limitata frazione del fabbisogno energetico mondiale.
La produzione di biocarburante a partire dall’intera pianta rappresenta sicuramente una scelta promettente. Le piante infatti sono abbondanti e diffuse su tutta la superficie terrestre, anche in ambienti marginali non adatti all’agricoltura, e naturalmente sono una fonte rinnovabile. Altro aspetto da considerare è il basso impatto ambientale degli impianti industriali di biocarburante, in cui la CO2 emessa nel processo produttivo è per la maggior parte utilizzata dalle piante per la fotosintesi. Inoltre negli impianti di digestione anaerobica di biomassa agricola, la frazione di scarto del ciclo produttivo, il cosiddetto digestato, è riutilizzato nel funzionamento del processo stesso in quanto, una volta stabilizzato e disidratato, può essere impiegato come ammendante dei terreni agricoli deputati alla coltivazione delle stesse piante necessarie per il funzionamento del digestore.
Come disfarsi della lignina?
Purtroppo vi sono alcuni problemi che ne limitano le potenzialità commerciali. Primo, gli elevati costi di produzione di cellulasi nei bioreattori microbiologici. Secondo, i costi di pre-trattamento condotti sulla biomassa al fine di ottenere un prodotto intermedio e rimuovere la lignina per favorire la degradazione della cellulosa da parte delle cellulasi. Questi due aspetti, insieme aumentano il costo di produzione del biocarburante a partire dall’intera pianta di circa due-tre volte rispetto al costo dello stesso ottenuto da semi di mais.
Gli zuccheri utilizzati nella fermentazione negli impianti alimentati da materia lignocellulosica derivano principalmente dai polisaccaridi della parete cellulare. La cellulosa è il principale polisaccaride e si trova sotto forma di microfibrille, che sono l’assemblaggio di molte dozzine di catene di (1,4) ß-D-glucano legate una di seguito all’altra con legami idrogeno. La parete è ricca anche di emicellulosa, glicani concatenati, quali xiloglucani e glucuronoarabinoxilani, che si legano mediante legami ad idrogeno alle microfibrille della cellulosa. Sono presenti anche polifenoli come la lignina e, in minore quantità, proteine strutturali. Le pareti cellulari delle piante superiori differiscono nel loro contenuto e variano durante lo sviluppo.
Una possibilità per ottenere materiale vegetale più adatto alla produzione di biocarburante è quella di modificare l’espressione dei geni della via biosintetica della lignina attraverso la transgenesi. Recentemente è stato dimostrato in Medicago sativa che la minore espressione di 6 geni del metabolismo della lignina ottenuta contemporaneamente riduce o limita il bisogno dei pre-trattamenti chimici della biomassa vegetale per la produzione di biocarburante. Altri ricercatori invece hanno cercato di deviare le risorse di carbonio destinate alla biosintesi della lignina verso la biosintesi dei polisaccaridi riducendo l’espressione del gene 4-cumarato CoA ligasi (4CL) ottenendo una riduzione del 45% di lignina e contemporaneamente un incremento del 15% di cellulosa.
Benché questi dati siano interessanti, bisogna considerare che le piante alterate nel metabolismo della lignina mostrano spesso grosse difficoltà di sviluppo in pieno campo a causa della loro minore integrità e maggiore suscettibilità all’attacco di patogeni, abbassandone di conseguenza il valore agronomico.
Un altro modo per aumentare la digeribilità della pianta
Anche al Dipartimento di Produzione Vegetale dell’Università degli Studi di Milano alcuni ricercatori hanno iniziato lo studio di un gruppo di mutanti di mais alterati nel passaggio dalla fase giovanile alla fase adulta (Glossy15, Corngrass1, Teopod1 e Teopod2) con l’obiettivo di individuare caratteri associati a una maggiore digeribilità della biomassa vegetale.
Questi mutanti rappresentano uno strumento utile per approfondire i meccanismi che regolano la formazione e l’architettura della parete cellulare, in particolare durante l’accrescimento cellulare, quando la parete assume uno stato rilassato, in cui prevale la componente amorfa della cellulosa rispetto a quella cristallina, per permettere la deposizione di nuovo materiale.
L’idea è quella di agire sulla struttura della parete cellulare per migliorarne la digeribilità. Un gruppo di ricerca straniero ha dimostrato infatti che la riduzione di cellulosa cristallina ad opera della ß-glucosidasi in piante di tabacco incrementa l’accessibilità della parete cellulare degli enzimi idrolitici nel processo di saccarificazione.
La ricerca scientifica è impegnata anche a verificare la possibilità di produrre gli enzimi idrolitici nella pianta riducendo i costi per rendere la produzione di etanolo più competitiva. Le piante sono già utilizzate industrialmente per la produzione di enzimi e altre proteine, carboidrati, lipidi, polimeri industriali, anticorpi e vaccini. Il vantaggio principale di questa tecnologia rispetto ai bioreattori microbiologici è quello di ottenere elevate quantità di prodotto con basso impiego di energia attraverso la coltivazione in pieno campo delle piante trasformate.
Naturalmente esprimere proteine eterologhe in una pianta comporta studi approfonditi volti a valutare il compartimento cellulare più adatto per l’accumulo della molecola in esame. L’ambiente della cellula vegetale infatti deve permettere la sintesi e il giusto ripiegamento della proteina che deve essere stabile e mantenere la sua attività enzimatica.
Gli enzimi così prodotti possono essere estratti dalla pianta e aggiunti alla biomassa pretrattata per la conversione in zuccheri fermentabili. Un esempio è l’espressione in mais del dominio catalitico (E1) dell’enzima 1,4 β-endoglucanase di Acidothermus cellulolyticus. E1 risulta espressa correttamente e mantiene la sua attività biologica, però si raggiunge all’interno della pianta una concentrazione della proteina molto bassa. Una possibilità per aumentare l’espressione delle proteine eterologhe nella pianta è quella di ricorrere alla trasformazione del cloroplasto piuttosto che quella nucleare.
Le piante sono una fonte di energia rinnovabile di grande potenzialità, e sono molti i modi in cui i ricercatori stanno cercando di produrre da esse biocarburante. Un approccio interessante consiste appunto nel non considerare la composizione ma di studiare l’architettura della biomassa vegetale e i meccanismi che ne regolano lo sviluppo per identificare la tecnica più adatta alla sua distruzione, necessaria per la produzione di energia.
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