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Gli scienziati hanno usato una strana molecola prodotta da batteri per sviluppare una nuova classe di biocarburanti sostenibili abbastanza potenti da lanciare razzi.
Ben consapevoli dei vantaggi che la biologia ha da offrire, un gruppo di esperti di biocarburanti guidati dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) si è ispirato a una straordinaria molecola antifungina prodotta dai batteri Streptomyces per sviluppare un tipo di carburante totalmente nuovo che produce una densità di energia maggiore rispetto ai più avanzati combustibili pesanti utilizzati oggi, compresi i carburanti per razzi utilizzati dalla NASA.
”Questo percorso biosintetico fornisce un percorso pulito verso combustibili ad alta densità energetica che, prima di questo lavoro, potevano essere prodotti solo dal petrolio utilizzando un processo di sintesi altamente tossico”, ha detto il leader del progetto Jay Keasling, pioniere della biologia sintetica e CEO del Joint BioEnergy Institute (JBEI) del Dipartimento dell’Energia.
“Poiché questi combustibili sarebbero prodotti da batteri alimentati con materia vegetale – che è fatta di anidride carbonica estratta dall’atmosfera – bruciarli nei motori ridurrà significativamente la quantità di gas serra aggiunto rispetto a qualsiasi combustibile generato dal petrolio”.
L’incredibile potenziale energetico di queste molecole candidate al combustibile, chiamate POP-FAME, deriva dalla chimica fondamentale delle loro strutture.
Inoltre, queste strutture consentono alle molecole di carburante di impacchettarsi strettamente insieme in un piccolo volume, aumentando la massa – e quindi l’energia totale – del carburante che si adatta a un dato serbatoio.
Keasling, che è anche professore alla UC Berkeley, ha tenuto d’occhio le molecole di ciclopropano per molto tempo. Aveva setacciato la letteratura scientifica alla ricerca di composti organici con anelli a tre atomi di carbonio e trovato solo due esempi noti, entrambi prodotti da batteri Streptomyces che sono quasi impossibili da coltivare in un ambiente di laboratorio. Fortunatamente, una delle molecole era stata studiata e analizzata geneticamente a causa dell’interesse per le sue proprietà antifungine. Scoperto nel 1990, il prodotto naturale si chiama jawsamicina.
Il team di Keasling, composto da scienziati JBEI e ABPDU, ha studiato i geni del ceppo originale (S. roseoverticillatus) che codificano gli enzimi che costruiscono la jawsamicina. Come un cuoco che riscrive le ricette per inventare il dessert perfetto, il team sperava di remixare i macchinari batterici esistenti per creare una nuova molecola con proprietà del combustibile pronte da bruciare.
Il primo autore Pablo Cruz-Morales è stato in grado di assemblare tutti gli ingredienti necessari per produrre POP-FAME dopo aver scoperto nuovi enzimi che producono ciclopropano in un ceppo chiamato S. albireticuli.
Sfortunatamente, i batteri non erano così cooperativi quando si trattava di produttività. Onnipresenti nei terreni di ogni continente, gli streptomici sono famosi per la loro capacità di produrre sostanze chimiche insolite. “Molti dei farmaci usati oggi, come immunosoppressori, antibiotici e farmaci anti-cancro, sono fatti da streptomiceti ingegnerizzati”, ha detto Cruz-Morales.
Quando due diversi Streptomyces ingegnerizzati non sono riusciti a produrre POP-FAME in quantità sufficienti, lui e i suoi colleghi hanno dovuto copiare il loro cluster genetico appena organizzato in un parente più “addomesticato”.
Gli acidi grassi risultanti contengono fino a sette anelli di ciclopropano incatenati su una spina dorsale di carbonio, guadagnandosi il nome di fuelimicina. In un processo simile alla produzione di biodiesel, queste molecole richiedono solo una fase di elaborazione chimica aggiuntiva prima di poter servire come combustibile.
Anche se non hanno ancora prodotto abbastanza molecole candidate al carburante per i test sul campo – “ci vogliono 10 chilogrammi di carburante per fare un test in un vero motore a razzo, e non ci siamo ancora”, ha spiegato Cruz-Morales con una risata – sono stati in grado di valutare le previsioni di Keasling sulla densità di energia.
I dati di simulazione suggeriscono che i candidati al carburante POP sono sicuri e stabili a temperatura ambiente e avranno valori di densità di energia di oltre 50 megajoule per litro dopo l’elaborazione chimica. La benzina normale ha un valore di 32 megajoule per litro, JetA, il carburante per jet più comune, e RP1, un carburante per razzi a base di cherosene, ne hanno circa 35.
Nel corso della loro ricerca, il team ha scoperto che i loro POP-FAME sono molto vicini nella struttura a un carburante sperimentale a base di petrolio chiamato Syntin sviluppato nel 1960 dall’agenzia spaziale dell’Unione Sovietica e utilizzato per diversi lanci di razzi Soyuz di successo negli anni ’70 e ’80.
Nonostante le sue potenti prestazioni, la produzione di Syntin è stata interrotta a causa dei costi elevati e dello spiacevole processo coinvolto: una serie di reazioni sintetiche con sottoprodotti tossici e un intermedio instabile ed esplosivo.
”Sebbene i POP-FAME condividano strutture simili a Syntin, molti hanno densità di energia superiori. Densità di energia più elevate consentono volumi di carburante inferiori, che in un razzo possono consentire un aumento dei carichi utili e una diminuzione delle emissioni complessive “, ha detto l’autore Alexander Landera, uno scienziato dello staff di Sandia.
Uno dei prossimi obiettivi del team è quello di creare un processo per rimuovere i due atomi di ossigeno su ciascuna molecola, che aggiungono peso ma nessun beneficio di combustione.
Alla fine, gli scienziati sperano di ingegnerizzare il processo in un ceppo batterico da lavoro che potrebbe produrre grandi quantità di molecole POP da fonti alimentari di scarto vegetale (come residui agricoli non commestibili e spazzole ripulite per la prevenzione degli incendi), potenzialmente rendendo il combustibile a emissioni zero finale.
