Strategie di ingegneria metabolica applicate a Clostridium thermocellum al fine di aumentare l'efficienza nella produzione di etanolo come fonte di biocarburanti

A significant share of the world's energy demand is met by fossil fuels. As a result, the growth in global consumption due to population growth, expanded production and higher living standards, will increase the consumption of these non-renewable sources and the consequent emission of greenhouse gases into the atmosphere. Promoting their replacement by developing clean energy technologies is of prime importance in order to reduce environmental pollution. In some sectors, including the transport industry, one of the most polluting and energetically demanding, the use of energy from renewable sources (such as electric motors) is still limited. Biofuels could be a short term solution, exploiting the potential of microorganisms naturally capable of converting organic matter into biofuels. In order to enhance their intrinsic abilities and increase their competitiveness on the market, several metabolic engineering strategies are being developed to improve these organisms’ performance. Many of these attempts focus on the bacterium Clostridium thermocellum, which is able to degrade lignocellulosic biomass and generate bioethanol through fermentation. The aim of this report is to present the reasons why this bacterium has been chosen as a host for this process, through the analysis of its distinctive characteristics (such as the cellulosome) and the limits that need to be overcome. In addition, some of the main genetic manipulation strategies currently tested and aimed at modifying the metabolism of this bacterium are described. It was initially investigated how induction in Clostridium thermocellum of Thermoanaerobacterium saccharolyticum’s metabolism genes (adhA, nfnAB, adhE) could improve ethanol production in the first bacteria. It was then discussed how the expression of particular genes, the Adaptive Laboratory Evolution process and mutations, developed during this phase, affected the formation of phenotypes capable of generating greater quantities of ethanol. In conclusion, an investigation was conducted to understand the genetic response of the bacterium to the stress caused by ethanol and to identify the optimal culture conditions that promote the development of strains able to withstand elevated concentrations of this substance.

Una quota significativa della richiesta energetica mondiale è soddisfatta dai combustibili fossili. Di conseguenza, la crescita dei consumi globali, prevista in seguito all’aumento demografico, delle produzioni e degli standard di vita, incrementerà il consumo di questi idrocarburi e la conseguente emissione di gas serra in atmosfera. Promuovere la loro sostituzione, sviluppando tecnologie per la produzione di energia pulita, risulta di fondamentale importanza per ridurre l’inquinamento ambientale. In alcuni settori tra cui l’industria dei trasporti, una delle più inquinanti ed esigenti a livello di prestazioni, l’impiego di energia da fonti rinnovabili (come i motori elettrici) presenta ancora delle limitazioni. I biocarburanti potrebbero risolvere nel breve periodo questo problema, sfruttando le potenzialità di microrganismi in grado di convertire materiale organico in biocombustibili. Al fine di potenziare le loro abilità intrinseche e aumentare la competitività di queste sostanze sul mercato, sono in via di sviluppo diverse strategie di ingegneria metabolica per migliorare le performance di questi organismi. Buona parte di questi tentativi si concentrano sul batterio Clostridium thermocellum, capace di degradare biomassa lignocellulosica e di generare bioetanolo tramite fermentazione. L’obbiettivo di questo elaborato consiste nel presentare quali siano i motivi per cui si è scelto di utilizzare questo batterio, attraverso l’analisi di caratteristiche che lo contraddistinguono (come il cellulosoma) ed i limiti da dover aggirare. Inoltre vengono descritte alcune delle principali strategie di manipolazione genetica sperimentate attualmente e finalizzate a modificare il metabolismo del batterio stesso. Inizialmente si è analizzato come l’induzione in Clostridium thermocellum di geni del metabolismo di Thermoanaerobacterium saccharolyticum (adhA, nfnAB, adhE) potessero migliorarne la produzione di etanolo. Successivamente è stato indagato come l’espressione di particolari geni, il processo di Adaptive Laboratory Evolution e mutazioni insorte durante questa fase, influissero sulla formazione di fenotipi in grado di produrre quantità maggiori di etanolo. Infine, si è cercato di comprendere in che modo il batterio risponda, a livello genetico, allo stress causato dall’etanolo e quali siano le condizioni di crescita in grado di favorire lo sviluppo di ceppi capaci di tollerare concentrazioni più elevate di questa sostanza.