La scoperta di lieviti selvatici consente la produzione di birra artigianale arricchita di ornitina senza l’utilizzo di OGM.

L’ornitina, un amminoacido presente in natura e coinvolto in diversi processi biologici, ha attirato l’attenzione come ingrediente promettente per produrre birra.

Con il crescente interesse dei consumatori per alimenti e bevande con valore nutrizionale aggiunto, i birrifici stanno esplorando metodi per migliorare il processo di fermentazione stesso, anziché affidarsi ad additivi post-produzione. Tuttavia, aumentare la produzione di ornitina nel lievito di birra è difficile perché il percorso metabolico è strettamente regolato, il che rende complesse le strategie di miglioramento convenzionali.

Per affrontare questa sfida, il professor Hiroshi Takagi e il suo team di ricerca (il professore associato Akira Nishimura, il professore assistente Shota Isogai e il dottor Ryoya Tanahashi) del Laboratorio di Scienza della Fermentazione presso il Nara Institute of Science and Technology, in Giappone, hanno combinato la tradizionale selezione microbica con la moderna analisi molecolare per sviluppare un lievito da birra pratico e non geneticamente modificato.

I loro risultati sono stati pubblicati sul Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology .

Il progetto è iniziato con un ceppo selvatico di Saccharomyces cerevisiae isolato da un campus universitario evidenziando il valore continuo delle risorse microbiche locali.

Invece di utilizzare la modifica genetica, il team ha applicato la mutagenesi chimica seguita da selezione con canavanina, un analogo tossico dell’arginina.

Questa strategia tradizionale, compatibile con la riproduzione, ha prodotto centinaia di ceppi candidati, tra cui un mutante, ADHorn49, ha mostrato livelli di ornitina intracellulare superiori di oltre nove volte rispetto al lievito originale.

Il sequenziamento dell’intero genoma ha rivelato che la caratteristica potenziata poteva essere ricondotta a una singola modifica genetica. I ricercatori hanno identificato una sostituzione Gly351Asp nel gene ARG6, che codifica un enzima chiave nella biosintesi dell’ornitina. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che l’introduzione di questa mutazione in diversi ceppi di lievito industriale aumentava costantemente l’accumulo di ornitina.

La modellazione strutturale ha inoltre suggerito che la mutazione potrebbe alterare le interazioni all’interno dell’enzima e ridurre l’efficacia della normale regolazione metabolica.

“È ancora possibile scoprire microrganismi preziosi negli ambienti naturali locali”, afferma Nishimura (attualmente professore all’Università di Iwate), sottolineando come il lavoro colleghi l’esplorazione della biodiversità con la moderna scienza della fermentazione. Ha aggiunto che l’esplorazione delle risorse di lieviti selvatici può creare nuove opportunità per l’innovazione nella fermentazione scientificamente validata.

È importante sottolineare che il lievito migliorato ha mantenuto le normali prestazioni di birrificazione. I test di fermentazione hanno dimostrato che la produzione di anidride carbonica era paragonabile a quella del ceppo parentale, mentre il mutante secerneva una quantità significativamente maggiore di ornitina nel mezzo di fermentazione. Il brodo di fermentazione finale conteneva 7,0 mg/L di ornitina libera, a dimostrazione che la caratteristica può essere espressa in condizioni di birrificazione pratiche senza compromettere l’utilizzabilità industriale.

“Questo studio dimostra chiaramente una strategia pratica non geneticamente modificata che combina la selezione microbica tradizionale con la comprensione molecolare”, afferma Takagi. “Collegando le risorse di lievito presenti nell’ambiente naturale con le moderne biotecnologie di fermentazione, speriamo di supportare lo sviluppo di alimenti e bevande fermentati a valore aggiunto.”

Nel complesso, lo studio unisce la coltura fermentativa tradizionale alle biotecnologie all’avanguardia, combinando l’esplorazione di lieviti selvatici, il sequenziamento dell’intero genoma, la modellazione strutturale e la selezione di organismi non geneticamente modificati (non OGM).

Oltre alla possibilità di produrre birra artigianale arricchita con ornitina, questo approccio potrebbe favorire lo sviluppo di altri alimenti e bevande fermentati a valore aggiunto, rafforzando al contempo il ruolo della selezione microbica nell’innovazione alimentare sostenibile.

Abstract

L’ornitina è un amminoacido non proteinogenico con diversi benefici per la salute, il che la rende un bersaglio promettente per lo sviluppo di alimenti funzionali. In questo studio, abbiamo sviluppato ceppi di lievito Saccharomyces cerevisiae con elevati livelli intracellulari di ornitina e identificato la mutazione genetica responsabile di questa caratteristica. Un mutante ricco di ornitina è stato isolato con successo mediante mutagenesi chimica e selezione per la resistenza alla canavanina, un analogo tossico dell’arginina. Il sequenziamento dell’intero genoma ha rivelato una mutazione puntiforme eterozigote nel ARG6 gene che codifica per la N- acetilglutammato chinasi, un enzima chiave nella biosintesi dell’ornitina. Questa mutazione ha causato una sostituzione Gly351Asp localizzata in una regione linker conservata tra domini funzionali. L’introduzione di questa sostituzione, insieme all’introduzione di amminoacidi alternativi nello stesso sito, ha costantemente aumentato i livelli di ornitina in diversi ceppi. La modellazione strutturale ha suggerito che questa sostituzione potrebbe influenzare la conformazione dell’enzima o le interazioni interdominio. Questi risultati definiscono una strategia pratica di allevamento non geneticamente modificato per migliorare la produzione di ornitina nel lievito, il che faciliterà lo sviluppo di bevande fermentate arricchite di ornitina, come la birra artigianale.

Riassunto in una frase:

La mutazione ARG6 aumenta l’ornitina intracellulare e consente la produzione di birra artigianale ad alto valore aggiunto.

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