DYE ART- In vivo incorporation of organic DYE to ARTificially enhance photosynthetic efficiency in green algae and cyanobacteria

Grazie a una maggiore efficienza di fissazione dell’anidride carbonica rispetto alle piante terrestri, le microalghe possono 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.

DYE ART 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. L’obiettivo è quello di superare le attuali limitazioni della crescita autotrofa delle microalghe nei fotobioreattori, per rendere sostenibili i processi biotecnologici basati sulle microalghe, riducendo l’impronta di carbonio e aumentando la produttività complessiva.

DYE ART integra competenze multidisciplinari all’avanguardia nel campo della biologia, della biotecnologia e della fotonica. Il progetto si propone di caratterizzare, verificare e convalidare l’approccio delle antenne artificiali in 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 pigmento-proteina che raccolgono la luce.

Enhancing Photosynthesis

La fotosintesi è il processo mediante il quale la luce solare è convertita in potenziale chimico, utilizzabile dagli organismi, e rappresenta pertantp il sito primario si produzione energetica nella biosfera. In condizioni ottimali le relazioni di foto-conversione procedono con una resa quantica estremamente elevata (80-99%). Lo studio di questi sistemi biologici può quindi rappresentate un paradigma utile per l’implementazione di materiali e strategie che li imitino per applicazioni fotovoltaiche e fotocatalitiche. D’altro canto, in condizioni naturali, a causa di variabilità e fluttuazioni ambientali, la resa fotosintetica è generalmente più bassa di quella ottimale e questo può portare a una riduzione della produttività, soprattutto per quanto riguarda le colture agricole. Pertanto, lo studio dei processi, come la raccolta della luce e il controllo dell’efficienza di raccolta, potrebbe portare ad un miglioramento della produttività delle colture ed essere quindi vantaggioso dal punto di vista sociale.

Il progetto “Enhancing Photosintesi” si propone di affrontare alcuni di questi aspetti, studiando sia i fattori che influenzano la produttività delle colture/piante, sia i loro meccanismi molecolari, sia i meccanismi fondamentali di conversione dei fotoni nei fotosistemi con l’obiettivo di trasferire alcune delle loro caratteristiche in sistemi biomimetici artificiali.

Il progetto prevede inoltre lo sviluppo di una piattaforma spettroscopica (ottica) per lo studio dei processi fotosintetici sia in(super)complessi clorofilla-proteina isolati, sia in sistemi fotosintetici intatti così come in sistemi sintetici artificiali (anche allo stato solido). La strumentazione coprirà oltre ad un ampio intervallo temporale (dai femto ai millisecondi) anche una ambia banda spettrale (dal vicino UV al vicino IR). Questa piattaforma sarà basata sia su strumentazioni già esistenti presso il CNR Milano e al PoliMI,  le cui caratteristiche saranno sostanzialmente estese/implementate per renderle adatte allo studio di campioni molto diversificati e complicati da studiare a causa dell’elevata dispersione della luce che presentano. E’ fine del progetto rendere questo “hub” spettroscopico aperto che rappresenti una struttura di duratura che possa aggregare e promuovere la ricerca in fotosintesi, e su argomenti strettamente correlati, a livello regionale e possibilmente nazionale.

CYAO-CYAnobacteria platform Optimised for bioproduction

Gli organismi unicellulari fotosintetici acquatici (microalghe) sono percepiti come una delle fonti più interessanti per la produzione sostenibile di combustibili alternativi e per l’implementazione della chimica verde. Il progetto CYAO ha come obbiettivo quello di ingegnerizzare ceppi modello di cianobatteri (alghe blue-verdi) già utilizzati per applicazioni biotecnologiche, aumentandone la produttività in termini di accumulo di biomassa mediate la modificazione delle caratteristiche di assorbimento della luce per le peculiari condizioni che gli organismi incontrano nei fotobioreattori (PBR) in cui solo coltivate. Inoltre, per dimostrare il potenziale dei ceppi ingegnerizzati nelle proprietà di antenna, il progetto propone di renderli adatti a produrre un carotenoide, l’astaxantina, che ha un alto valore economico in virtù del suo ampio utilizzo in formulazioni nutraceutiche, come antiossidanti e, specialmente, in acquicoltura, essendo il colorante naturale che caratterizza le carni dei salmonidi.

Sviluppo di una piattaforma per biologia strutturale nella rete di infrastrutture di ricerca europee IBISBA

La funzione delle proteine può essere compresa attraverso la loro struttura. La struttura di una proteina può aiutare la progettazione di modifiche che comportano un aumento o una riduzione dell’attività, a seconda dell’obiettivo desiderato. La progettazione di proteine sintetiche ha bisogno sia di una convalida attraverso la determinazione della struttura, sia di essere ispirata dalle strutture delle proteine – sia quelle da modificare sia i prodotti delle fasi iniziali della progettazione.  Il servizio che stiamo sviluppando è una piattaforma che implementi il processo di determinazione della struttura (dal gene alla struttura della proteina). L’utente fornirà il gene che codifica la proteina di interesse, o il sistema di vettori/espressione e il protocollo di purificazione per produrla ricombinatamente, o la proteina purificata.  Il servizio fornirà uno dei seguenti risultati:

• – Struttura cristallina.
• – Struttura Cryo-EM (per target con peso molecolare MW superiore a 200 kDa).

sPATIALS3 - Miglioramento delle produzioni agroalimentari e tecnologie innovative per un’alimentazione più sana, sicura e sostenibile

Il progetto si configura come un HUB tecnologico e di ricerca che coinvolge 12 istituti CNR, appartenenti a 4 diversi Dipartimenti, e 4 aziende, i cui obiettivi sono: ottenere prodotti migliorati per le proprietà nutrizionali e funzionali; fornire e implementare tecnologie di precisione per garantire la sicurezza, la tracciabilità e la qualità dei prodotti; sviluppare smart– e active-packaging ecosostenibili e innovativi per minimizzare e recuperare, ove possibile, gli sprechi e aumentare la conservabilità degli alimenti; fornire al consumatore e alle aziende strumenti per la fruibilità dei risultati.