Produrre proteine? Ci pensa la fermentazione di precisione

Per nutrire la popolazione mondiale in aumento nel prossimo futuro, sarà necessario produrre cibo su scala maggiore e in modo più sostenibile rispetto a oggi. E sicuramente saranno necessarie molte più fonti di proteine. Ma le proteine, ricavate da fonti tradizionali (carne, latticini, uova, pescato, piante) o ​​da fonti emergenti (lieviti, funghi, alghe, insetti), potrebbero non essere sufficienti e/o sostenibili. Si parla, infatti, del 28% delle emissioni di gas serra causate dalle proteine di origine animale.

La fermentazione di precisione, un campo relativamente nuovo della biotecnologia, potrebbe diventare una valida alternativa per produrre ulteriori fonti di proteine in modo sostenibile. Miliardi di persone potrebbero (o possono già) alimentarsi con proteine che non emettono CO2 e che salvaguardano gli ecosistemi.

Come funziona la fermentazione tradizionale?

Kimchi, crauti, birra e miso: la fermentazione non è una novità. L’antica pratica è un processo completamente naturale: microrganismi come lievito e batteri convertono amidi e zuccheri in alcol o acidi, producendo batteri benefici nel processo. È un procedimento che ha una lunga e solida tradizione nella storia della nostra alimentazione. I processi di fermentazione tradizionali si basano su cellule microbiche (lieviti, funghi) e condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno) per convertire gli ingredienti in prodotti finali con una consistenza o proprietà aromatiche uniche come yogurt, pane, formaggio, kimchi, tempeh e bevande alcoliche.

La fermentazione della biomassa, invece, sfrutta le qualità nutrizionali del micelio fungino e le fibre filiformi ramificate che costituiscono generalmente la parte vegetativa di un fungo. Il micelio viene coltivato in grandi vasche, con l’aggiunta di zucchero e altri nutrienti per stimolare la crescita. Il micelio viene raccolto, quindi tagliato e aromatizzato per produrre prodotti proteici alternativi (micoproteine). I miceli fungini producono alti livelli di proteine ​​oltre a fibre, vitamine, minerali e possono essere utilizzati direttamente come ingrediente, senza la necessità di estrarre e purificare la proteina. Un esempio è la micoproteina derivata dal fungo fusarium venenatum che è stato introdotto nella seconda metà del secolo scorso e venduto con il marchio Quorn TM dal 1985. Da allora, altre start-up di micoproteine ​​sono emerse in tutto il mondo, come Fable Foods (Australia), Meati, Prime Roots e Nature’s Fynd (USA), Mushlabs (Germania) e Kinoko-Tech (Israele).

La fermentazione di precisione

La fermentazione di precisione si basa sugli stessi principi della fermentazione tradizionale e della biomassa con alcune differenze che riguardano modifiche genetiche dei microbi coinvolti. La fermentazione di precisione, infatti, si basa sulla riprogrammazione dei microbi per produrre molecole specifiche e personalizzate (ricombinanti) che possono fungere da nuovi ingredienti alimentari.

Introducendo le informazioni genetiche che codificano proteine ​​specifiche nel genoma microbico, le cellule possono essere programmate per agire come fabbriche cellulari altamente efficienti in grado di  crescere su una varietà di fonti di carbonio e fornire gli output desiderati e cioè proteine ​​equivalenti a quelle che si trovano in natura. I nuovi prodotti ottenuti tramite la tecnologia di fermentazione di precisione possono migliorare il gusto, la consistenza o altri aspetti di prodotti di consumo per soddisfare le preferenze dei consumatori e la sostenibilità ambientale.

Un noto esempio storico di una proteina alimentare di alto valore derivata dalla fermentazione di precisione è la chimosina, il principale enzima nel caglio di vitello utilizzato durante la produzione del formaggio. Infatti, nel 2006 la chimosina derivata dalla fermentazione occupava fino all’80% della quota di mercato globale del caglio.

Proteine ed editing del genoma

Negli ultimi anni, progressi significativi nel campo dell’ingegneria genetica hanno consentito una rapida riprogrammazione dei microrganismi (biologia sintetica) per produrre un’intera suite di specifici ingredienti proteici alimentari in modo economico e sostenibile. Sulla scia della prima applicazione della chimosina, la fermentazione di precisione viene ora sempre più utilizzata per fornire ingredienti specifici ad altre industrie.

L’opportunità di produrre ingredienti alimentari su misura di fermentazione di precisione non è passata inosservata agli investitori. Durante i primi sette mesi del 2020, ha attirato investimenti per un totale di 435 milioni di dollari di investimenti in capitale di rischio, aprendo la strada a nuovi finanziamenti negli anni successivi.

Nonostante il crescente interesse, restano diverse sfide per questo settore emergente. La maggior parte delle start-up sono ancora in una fase relativamente nascente. L’infrastruttura di fermentazione con la capacità di operare su larga scala è limitata, evidenziando l’urgente necessità di investimenti in impianti di fermentazione su larga scala e di lavorazione a valle. Uno studio di Boston Consulting prevede che entro il 2035, una porzione su dieci di carne, pesce, frutti di mare, uova e latte in tutto il mondo potrebbe essere rappresentata da proteine alternative. I quadri di approvazione normativa in materia di biologia sintetica e fermentazione di precisione, tuttavia, sono attualmente in fase di revisione in molte giurisdizioni che devono fare i conti con innovazioni tecnologiche come l’editing del genoma.

La fermentazione di precisione si basa sulla produzione di nuove proteine ​​o ingredienti proteici mediante:

1. La crescita di microbi su una fonte di carbonio a basso costo (materia prima) come lo zucchero
2. Le stesse cellule microbiche sono geneticamente modificate per produrre la proteina desiderata in quantità elevate. Tipicamente, questa fase di ingegneria richiede più cicli in cui i cambiamenti genetici richiesti sono previsti, progettati e introdotti nel DNA della cellula. Segue il test per la presenza della proteina target, la convalida della proprietà alimentare desiderata e ulteriori miglioramenti genetici per aumentare la quantità e la qualità del prodotto. Questo processo di ingegneria “design-build-test-learn” rapido e spesso complesso è definito come “biologia sintetica” e si verifica in piccoli reattori in laboratorio
3. Il passo successivo è un graduale aumento dei volumi di coltura da laboratorio (decine di litri) a scala commerciale (ordine di centomila litri)
4. A seconda dell’applicazione, le proteine ​​vengono estratte, purificate e combinate (riformulate) insieme ad altri ingredienti nel prodotto alimentare finale

La ricerca futura si concentrerà sul miglioramento dell’efficacia in termini di costi complessivi dei processi di fermentazione per ottenere rese di prodotti più elevate. I miglioramenti nei macchinari per la secrezione cellulare semplificheranno la purificazione a valle e, a loro volta, miglioreranno l’utilizzo del capitale e ridurranno i costi.

Saranno studiati nuovi microbi presenti in natura e sottoutilizzati o ceppi microbici di nuova generazione per la loro capacità di prosperare su materie prime abbondanti ed economiche, di sostituire lo zucchero raffinato con vari flussi di rifiuti (alimentari) e persino CO2.

Nuovi algoritmi di intelligenza artificiale/apprendimento automatico (AI/ML) offriranno l’opportunità di accelerare drasticamente l’ingegnerizzazione di nuovi ceppi di produzione microbica basandosi su modelli informatici in grado di simulare l’effetto di cambiamenti genetici specifici sul comportamento e sulla composizione cellulare complessiva (metabolismo). È necessaria una continua innovazione nella riprogettazione del bioreattore su misura per la fermentazione alimentare e questi sistemi dovranno essere alimentati da risorse di energia rinnovabile per esprimere il loro pieno potenziale di impatto.

Ridurre al minimo la purificazione/elaborazione e massimizzare l’estrazione del valore dalla biomassa microbica residua attraverso la consegna di co-prodotti durante la lavorazione a valle migliorerà l’economia generale della tecnologia di fermentazione. Ridimensionare i sistemi di produzione, ridurre i costi e implementare fonti di energia rinnovabile saranno fattori fondamentali per il successo della fermentazione nelle sue varie forme e per competere  con una gamma più ampia di prodotti tradizionali.