Nato dalla collaborazione tra il CNR-IBBA e il Politecnico di Milano e coordinato da due giovani ricercatrici, DYE ART studierà la possibilità di migliorare l’efficienza della fotosintesi in alghe verdi e cianobatteri mediante l’utilizzo di pigmenti organici.
Il progetto riguarda l’ “Incorporazione in vivo di DYE organici per aumentare ARTificialmente l’efficienza fotosintetica di alghe verdi e cianobatteri”, da cui l’acronomico DYE ART (titolo originale in inglese “In vivo incorporation of organic DYE to ARTificially enhance photosynthetic efficiency in green algae and cyanobacteria”) ed è finanziato dall’Unione europea – Next Generation EU e dal Ministero dell’Università e della Ricerca tra i Progetti di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN) nell’ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) con un contributo di 224.450 euro.
Il progetto coordinato dall’Istituto di Biologia e Biotecnologia Agraria del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IBBA) con la collaborazione del Politecnico di Milano (POLIMI) è guidato da due giovani ricercatrici: la dott.ssa Barbara Menin, Principal Investigator del progetto per il CNR-IBBA e la dott.ssa Alessia Candeo, Associated- Principal Investigator per il POLIMI. Nei prossimi due anni DYE ART studierà il potenziale di un innovativo approccio biotecnologico per migliorare l’efficienza della fotosintesi in organismi unicellulari fotosintetici, comunemente noti con il nome di microalghe.
Mai come oggi, i drastici cambiamenti climatici di cui siamo testimoni impongono lo sviluppo di tecnologie efficienti per la sostenibilità e la protezione delle risorse naturali e dell’ambiente. In particolare, la riduzione delle emissioni dei gas a effetto serra, dei quali quasi l’80% è composto da anidride carbonica (CO2), è fondamentale per mitigare gli effetti deleteri sul clima. Per questo motivo l’Unione Europea ha fissato stringenti obiettivi per la riduzione delle emissioni nella normativa europea sul clima, imponendo una riduzione del 55% entro il 2030 per conseguire la piena neutralità climatica – ovvero un bilancio pari a zero tra le emissioni di gas serre generate dall’attività umana e quelle assorbite- entro il 2050.
Il processo naturale più diffuso sul nostro pianeta per la fissazione della CO2 è la fotosintesi. Durante questo processo, la luce viene catturata da sistemi antenna e viene utilizzata per convertire la CO2 e l’acqua in ossigeno e nutrimento per la cellula. Tuttavia, la fotosintesi non è così efficiente come si potrebbe pensare, infatti solo una parte della radiazione solare viene effettivamente usata da questo fondamentale processo biologico, vale a dire intorno al 45%. E purtroppo questo non è più abbastanza per contrastare le emissioni dei gas serra. Tra gli organismi fotosintetici, le microalghe presentano tassi di crescita più veloci ed efficienze fotosintetiche più elevate rispetto alle piante terrestri (circa il 3% contro lo 0,2-1%) ed è per questo che sono ritenute poter svolgere un ruolo fondamentale nella futura economia a basse emissioni di carbonio e il loro potenziale ha suscitato un crescente interesse da parte del mondo accademico e dell’industria per lo sviluppo di tecnologie di cattura e utilizzo della CO2.
Il termine microalghe si riferisce a microrganismi eucariotici e procariotici (cianobatteri), ampiamente diffusi sia nei sistemi d’acqua dolce che in quelli marini. Hanno un’enorme importanza ecologica, poiché producono circa la metà dell’ossigeno atmosferico necessario alla vita sulla Terra. Le microalghe sono giustamente considerate “fabbriche verdi sostenibili” e potrebbero diventare una delle fonti alimentari ed energetiche più importanti e sostenibili nel prossimo futuro, con il vantaggio di non competere con la produzione alimentare tradizionale per le risorse, in quanto non necessitano di terreni arabili e possono essere coltivate anche con acque reflue. Nonostante l’enorme potenziale, ad oggi la maggior parte delle applicazioni biotecnologiche basate sulle microalghe non sono ancora economicamente sostenibili a causa principalmente dei costi di raccolta e processamento della biomassa algale.
Per rendere più vantaggioso economicamente il processo è necessario aumentarne l’efficienza produttiva e una delle possibilità è quella di rendere più efficiente il processo fotosintetico, con conseguente aumento sia della fissazione della CO2 (e conseguente riduzione delle emissioni serra) sia della produzione della coltura algale.
È questo l’ambizioso obiettivo del progetto DYE ART, che mira alla sperimentazione di una nuova e promettente tecnologia basata su coloranti sintetici che agiscono come sistemi antenna artificiali per migliorare l’efficienza fotosintetica di alghe verdi e cianobatteri, aumentando la percentuale di luce fotosinteticamente attiva che la cellula possa potenzialmente sfruttare per questo bioprocesso. L’obiettivo è quello di rendere più sostenibili i processi biotecnologici basati sulle microalghe, riducendo l’impronta di carbonio e aumentando la produttività complessiva.
Questo approccio è stato preliminarmente validato da un pionieristico studio (Leone et al. 2021) su una specie del gruppo delle diatomee, microalghe marine comunemente nome come fitoplancton, senza tuttavia elucidare il meccanismo di interazione tra il pigmento organico e i complessi fotosintetici.
DYE ART si propone di caratterizzare, verificare e convalidare l’approccio delle antenne artificiali in altri due gruppi di microalghe – alghe verdi e cianobatteri – entrambi di importanza fondamentale per lo sviluppo di un’ampia gamma di processi biotecnologici e caratterizzati da una diversa configurazione dei complessi dei sistemi antenna e fotosistemi per la raccolta della luce.
Il progetto integra competenze multidisciplinari all’avanguardia nel campo della biologia, della biotecnologia e della fotonica, unendo ricercatori sia a inizio carriera che affermati, con una vasta esperienza e un forte know-how nei rispettivi campi di ricerca.
In particolare, l’unità di ricerca del CNR-IBBA vanta ampie competenze nell’applicazione di approcci multidisciplinari allo studio della fotosintesi e alla genetica e fisiologia delle microalghe e ha esteso recentemente i suoi interessi anche all’ingegneria metabolica e alle biotecnologie applicate. L’unità di ricerca del POLIMI può contare su una consolidata esperienza nell’ambito della fotonica e in particolare sulle competenze avanzate di spettroscopia ed imaging, le quali verranno ulteriormente potenziate.
Le due unità condividono una visione innovativa all’interno della loro disciplina e una forte convinzione dell’importanza di condividere la loro esperienza per avere un impatto sull’avanzamento delle conoscenze scientifiche per la sostenibilità ambientale e la transizione ecologica. La complementarità delle tecniche che saranno impiegate presso i rispettivi Istituti è fondamentale per l’esito positivo del progetto, in quanto consente di creare una sinergia all’avanguardia.
