LAZARUS, un nome evocativo per il progetto presentato da Marco Mangiagalli, ricercatore del Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze di Milano-Bicocca, a cui è stato assegnato un finanziamento starting grant di 1.320.450 euro da parte del Fondo Italiano per la Scienza 2022-2023 (FIS2).
Il progetto, intitolato Uncovering the hidden aspects of temperature adaptation by resurrecting ancestral enzymes: from evolutionary history to biotechnology (LAZARUS), punta a decifrare i meccanismi evolutivi di un remoto passato e sfruttarli per sviluppare biocatalizzatori efficienti, capaci di rispondere alle sfide delle moderne biotecnologie.
Marco, da dove nasce questo progetto?
Tutto parte da una sfida affascinante: capire come e perché alcuni microrganismi riescano a sopravvivere in condizioni climatiche estreme, come le temperature perennemente sotto lo zero. Già durante il mio dottorato in Bicocca, nel laboratorio della professoressa Marina Lotti, mi sono occupato dei meccanismi di adattamento alle basse temperature in alcuni batteri antartici, e del ruolo vitale giocato dalle proteine capaci di legare il ghiaccio, le cosiddette “proteine antigelo”. In seguito, ho continuato a studiare come gli enzimi riescano a mantenere la loro funzionalità biologica a basse temperature. Nel 2021, in collaborazione con la ricercatrice Sandra Pucciarelli dell’Università di Camerino, ho iniziato a lavorare su Marinomonas, un batterio marino che popola le acque polari, di cui abbiamo caratterizzato una serie di enzimi coinvolti nell’idrolisi di alcuni zuccheri, tra cui una β-galattosidasi risultata particolarmente efficiente nella degradazione del lattosio.
Dall’insieme di queste esperienze, nasce il progetto LAZARUS che vuole ricostruire il funzionamento ancestrale di questa famiglia di enzimi e capire come si sono evoluti. Il finanziamento FIS2, assegnato al progetto, consentirà il reclutamento di quattro persone da dedicare alla ricerca e l’acquisto della strumentazione necessaria, legata all’allestimento del laboratorio di enzimologia e biocatalisi.
Un approccio innovativo?
È uno degli aspetti che è stato particolarmente apprezzato. Il mio progetto prevede l’utilizzo di tecniche computazionali, già sviluppate ma non ancora applicate allo studio dell’adattamento alla temperatura negli enzimi. Si tratta infatti di un problema complesso che richiede un approccio metodologico integrato e innovativo.
L’esplorazione della biodiversità ha ampliato enormemente il repertorio di enzimi disponibili, ma quelli naturali non sono sempre adatti alle condizioni richieste dai processi biotecnologici. Molti enzimi, infatti, perdono attività o stabilità alle temperature operative, spesso molto differenti rispetto a quelle degli ecosistemi in cui si sono evoluti. Per questo motivo si rende necessario ingegnerizzarli ad hoc, per permettere loro di operare in specifici processi biotecnologici.
Come si svilupperà la ricerca?
La prima parte del progetto mira a ricostruire le sequenze ancestrali degli enzimi di cui mi occupo. Grazie ad opportuni strumenti computazionali, faremo un vero e proprio “viaggio a ritroso nel tempo” per capire come questi enzimi hanno acquisito le caratteristiche funzionali che vediamo negli enzimi attuali, come per esempio l’attività al freddo o la stabilità al calore. La tappa successiva sarà produrre fisicamente in laboratorio gli enzimi ancestrali più interessanti. Ad oggi non sappiamo quali siano le caratteristiche di questi enzimi, lo scopriremo nel corso della ricerca. Ad esempio, gli enzimi antartici sono particolarmente attivi a basse temperature, ma non sappiamo se questa caratteristica sia stata acquisita nel corso dell’evoluzione o se fosse un tratto già presente nei loro antenati. Una delle teorie più accreditate propende per la prima ipotesi, dal momento che i primi enzimi sono presumibilmente comparsi in un ambiente estremamente caldo, con temperature di oltre 80 gradi. Solo con il raffreddamento e le successive glaciazioni, gli enzimi potrebbero aver acquisito la capacità di lavorare anche a temperature più moderate.
In merito alla seconda fase?
Un punto chiave del progetto riguarda il confronto tra gli enzimi moderni e i loro antenati. Studiando la struttura di queste molecole nei minimi dettagli (un lavoro che faremo in collaborazione con il professor Marco Nardini dell’Università Statale di Milano), cercheremo di identificare quali regioni dell'enzima sono cambiate durante l'evoluzione. Una volta individuate queste regioni cruciali, affideremo i dati ad algoritmi di intelligenza artificiale. L'intelligenza artificiale analizzerà questa mole di informazioni e ci aiuterà a progettare enzimi del tutto nuovi, con proprietà termiche costruite “su misura”, applicabili in diversi processi biotecnologici.
I risultati potrebbero essere utili per quali applicazioni?
Oggi una delle grandi sfide delle biotecnologie è rendere i processi industriali più sostenibili, valorizzando al massimo le risorse di scarto. In questo contesto, la biocatalisi, ovvero l’uso di enzimi per accelerare le reazioni chimiche, rappresenta una delle soluzioni più promettenti per ridurre consumi energetici, rifiuti e impatto ambientale.
Un’applicazione molto interessante è la valorizzazione dei sottoprodotti dell’industria casearia. Si tratta di biomasse ricche di lattosio prodotte in grandissime quantità, specialmente qui in Lombardia. Utilizzando gli enzimi progettati con LAZARUS potremmo trasformare il lattosio di questi scarti in zuccheri metabolizzabili da microrganismi, normalmente incapaci di crescere sul lattosio, ma in grado di sintetizzare molecole ad alto valore aggiunto. Oppure, sfruttando la capacità dei nostri enzimi di lavorare anche in assenza di acqua, potremmo utilizzare il lattosio come punto di partenza per la sintesi di oligosaccaridi ad azione prebiotica (ovvero zuccheri benefici per la nostra flora intestinale), oppure da impiegare come building block di nuovi biopolimeri (le basi, ad esempio, per produrre plastiche biodegradabili).
