La rivoluzione degli enzimi: come l’ingegneria dei catalizzatori naturali sta trasformando la medicina, l’alimentazione e il pianeta

Il mercato globale degli enzimi industriali era di circa 9 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 13,8 miliardi di dollari entro il 2027.
La mutagenesi sito-specifica, inventata negli anni ’70 da Michael Smith, consente cambiamenti precisi di singoli amminoacidi negli enzimi e gli valse il Premio Nobel per la Chimica nel 1993.
Nel 1993 Frances Arnold dimostrò l’evoluzione guidata facendo evolvere un enzima tramite mutazioni casuali e screening, una pietra miliare poi riconosciuta con il Premio Nobel per la Chimica nel 2018.
Merck e Codexis hanno sviluppato un enzima evoluto per produrre sitagliptin tra il 2007 e il 2010, ottenendo una selettività del 99,95%, una resa superiore del 13% e il 19% in meno di rifiuti chimici.
Il premio Greener Chemistry del 2010 ha onorato il lavoro sull’evoluzione guidata che ha permesso una produzione farmaceutica più verde, incluso l’enzima sitagliptin di Merck/Codexis.
Nel 2018 Frances Arnold, Gregory Winter e George Smith hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica per l’evoluzione guidata e i metodi di phage display che producono farmaci, biocarburanti e catalizzatori.
Nel 2023 l’articolo su Nature De novo design of luciferases using deep learning ha mostrato enzimi progettati con l’IA che emettono luce e, dopo un perfezionamento in laboratorio, possono superare alcuni enzimi naturali.
Nel 2022–2023 i ricercatori hanno utilizzato il deep learning per progettare nuovi enzimi da zero, incluse le luciferasi, segnando un passaggio verso la progettazione enzimatica guidata dall’IA.
Nel 2022, i ricercatori dell’UT Austin hanno sviluppato FAST-PETase, una variante di PETasi che può depolimerizzare i rifiuti plastici in appena 24 ore in condizioni moderate, progettata con un algoritmo di machine learning.
Alla fine del 2024 gli scienziati hanno riportato una variante altamente evoluta dell’enzima CRISPR-Cas con un’attività fuori bersaglio estremamente bassa, migliorando la sicurezza dell’editing genetico.

Immagina se potessimo riprogrammare le microscopiche macchine della natura per risolvere i problemi umani. L’ingegneria degli enzimi è la scienza di riprogettare gli enzimi – le proteine che catalizzano la chimica della vita – per avere funzioni nuove o migliorate. In termini semplici, significa modificare il codice genetico di un enzima affinché funzioni meglio o in modo diverso. Perché farlo? Perché gli enzimi sono catalizzatori straordinari: accelerano le reazioni chimiche in condizioni delicate, a differenza di molti processi industriali che richiedono alte temperature o sostanze chimiche tossiche newsroom.uw.edu. Come spiega il biochimico David Baker, “Gli organismi viventi sono chimici straordinari… usano gli enzimi per scomporre o costruire ciò di cui hanno bisogno in condizioni delicate. Nuovi enzimi potrebbero rendere possibili prodotti chimici rinnovabili e biocarburanti” newsroom.uw.edu. In altre parole, se possiamo ingegnerizzare gli enzimi, otteniamo strumenti ecologici per rivoluzionare la produzione, l’energia, la medicina e altro ancora.

L’importanza dell’ingegneria enzimatica si riflette nella sua crescita esplosiva. Il mercato globale degli enzimi industriali era di circa 9 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 13,8 miliardi di dollari entro il 2027 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Queste “molecole miracolose” sono già utilizzate in tutto, dai detersivi per il bucato alla trasformazione alimentare, e la domanda è in aumento. L’ingegneria enzimatica ci permette di spingere gli enzimi oltre i loro limiti naturali – rendendoli più efficienti, robusti o su misura per svolgere nuovi compiti. Questo ha enormi implicazioni: dalla produzione di farmaci e plastiche più ecologiche alla bonifica dell’inquinamento. Come ha osservato la Royal Swedish Academy assegnando il Premio Nobel per la Chimica 2018, gli scienziati hanno “usato gli stessi principi – cambiamento genetico e selezione – per sviluppare proteine che risolvono i problemi chimici dell’umanità” businessinsider.com. In breve, sfruttando l’evoluzione e la bioingegneria, gli ingegneri enzimatici stanno trasformando intere industrie e affrontando sfide globali.

Di seguito, analizzeremo cos’è l’ingegneria enzimatica, come funziona, la sua storia e le principali tecniche, e i molti modi in cui sta trasformando settori come medicina, agricoltura, alimentare, biotecnologia e scienze ambientali. Evidenzieremo anche le recenti scoperte (2024–2025) e citazioni di esperti che guidano questa rivoluzione.

Che cos’è l’ingegneria enzimatica?

In sostanza, l’ingegneria enzimatica (un ramo dell’ingegneria delle proteine) significa modificare la struttura di un enzima per cambiarne la funzione o le prestazioni khni.kerry.com. Gli enzimi sono catene di amminoacidi ripiegate in complesse forme 3D. La loro forma e chimica determinano quale reazione catalizzano – ad esempio, la scomposizione dell’amido in zucchero o la copia del DNA. Gli ingegneri enzimatici modificano la sequenza di amminoacidi dell’enzima (cambiando il codice del DNA) affinché l’enzima diventi più adatto a un compito o addirittura catalizzi una nuova reazione. Questo può migliorare proprietà come attività (velocità), specificità (scegliere un bersaglio rispetto ad altri), stabilità (funzionare in condizioni difficili), o tutte queste insieme khni.kerry.com.

Come modificano gli scienziati gli enzimi? Esistono due strategie principali:

Progettazione razionale (Mutagenesi sito-specifica): Se si sa quale parte di un enzima ne influenza la funzione, si possono modificare intenzionalmente specifici amminoacidi. Questa tecnica, sviluppata negli anni ’80 da Michael Smith (Premio Nobel 1993), si chiama mutagenesi sito-specifica – in sostanza, modifica genetica mirata del gene di un enzima nobelprize.org. È come eseguire un intervento chirurgico sul DNA dell’enzima: i ricercatori individuano una “posizione” dell’enzima da modificare, mutano quella lettera del DNA (codone) e così sostituiscono un amminoacido con un altro nell’enzima. Questo metodo fu rivoluzionario perché permise di “ripogrammare il codice genetico” per costruire proteine con nuove proprietà nobelprize.org. Inizialmente, gli scienziati lo usarono per studiare la struttura e la funzione degli enzimi – ad esempio rendendo un enzima più stabile affinché potesse resistere ai processi industriali, o modificando un anticorpo affinché potesse colpire le cellule tumorali nobelprize.org. Tuttavia, la progettazione razionale richiede una conoscenza approfondita: bisogna prevedere quali cambiamenti avranno un effetto benefico, cosa difficile data la complessità degli enzimi. Come ha osservato un ingegnere degli enzimi, ancora oggi “prevedere l’influenza delle mutazioni… è quasi impossibile” a causa dell’intricata interazione tra le molte parti di un enzima aiche.org. La progettazione razionale spesso comportava molte ipotesi ragionate.
Evoluzione guidata: Quando le ipotesi falliscono, perché non lasciare che sia l’algoritmo della natura a fare il lavoro? L’evoluzione guidata è una tecnica che mima la selezione naturale in laboratorio per evolvere enzimi migliori. Invece di apportare una singola modifica mirata, gli scienziati introducono mutazioni casuali nel gene dell’enzima e creano una libreria di migliaia di varianti. Successivamente, selezionano o esaminano le varianti per trovare quelle con prestazioni migliorate in un determinato compito sigmaaldrich.com, businessinsider.com. I vincitori possono poi essere nuovamente mutati, ripetendo il ciclo in modo iterativo, proprio come l’evoluzione genera organismi meglio adattati. Questo approccio è stato introdotto negli anni ’90 da Frances Arnold, che ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2018 per questo lavoro. Frances Arnold ha riconosciuto che “il modo in cui la maggior parte delle persone affrontava l’ingegneria delle proteine era destinato al fallimento”, così ha provato una strada diversa – “copiare il processo di progettazione della natura, cioè l’evoluzione” businessinsider.com. Permettendo a molti mutanti casuali di competere in un esperimento di sopravvivenza del più adatto, i ricercatori possono scoprire miglioramenti enzimatici a cui un essere umano non penserebbe mai. Il mantra di Arnold per questo metodo è diventato famoso: “Ottieni ciò che selezioni” aiche.org – il che significa che la chiave è progettare un buon test per trovare la caratteristica desiderata. L’evoluzione guidata ha “aumentato in modo drammatico la velocità di cambiamento” possibile negli enzimi, comprimendo ciò che in natura richiederebbe milioni di anni in poche settimane o mesi in laboratorio sigmaaldrich.com. È stata enormemente efficace: come ha sottolineato il comitato Nobel, grazie all’evoluzione guidata gli scienziati hanno sviluppato enzimi utilizzati in “tutto, dai detersivi ecologici e biocarburanti ai farmaci contro il cancro.” businessinsider.com

In pratica, gli ingegneri degli enzimi spesso combinano questi approcci. Potrebbero usare la mutagenesi sito-specifica per apportare alcune modifiche mirate (un approccio “razionale”), quindi applicare cicli di evoluzione guidata per ottenere ulteriori miglioramenti sorprendenti. I metodi moderni integrano anche strumenti computazionali: l’analisi bioinformatica e la progettazione assistita da computer possono suggerire quali mutazioni provare o aiutare a modellare le strutture degli enzimi Immagina se potessimo riprogrammare le microscopiche macchine della natura per risolvere problemi umani. L’ingegneria degli enzimi è la scienza della riprogettazione degli enzimi – le proteine che catalizzano la chimica della vita – per avere funzioni nuove o migliorate. In termini semplici, significa modificare il codice genetico di un enzima affinché funzioni meglio o in modo diverso. Perché farlo? Perché gli enzimi sono catalizzatori straordinari: accelerano le reazioni chimiche in condizioni delicate, a differenza di molti processi industriali che richiedono alte temperature o sostanze chimiche tossiche newsroom.uw.edu. Come spiega il biochimico David Baker, “Gli organismi viventi sono chimici straordinari… usano gli enzimi per scomporre o costruire ciò di cui hanno bisogno in condizioni delicate. Nuovi enzimi potrebbero rendere accessibili prodotti chimici rinnovabili e biocarburanti” newsroom.uw.edu. In altre parole, se possiamo ingegnerizzare gli enzimi, otteniamo strumenti ecologici per rivoluzionare la produzione, l’energia, la medicina e altro ancora.

L’importanza dell’ingegneria degli enzimi si riflette nella sua crescita esplosiva. Il mercato globale degli enzimi industriali era di circa 9 miliardi di dollari nel 2019 e si prevede che raggiungerà i 13,8 miliardi di dollari entro il 2027 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Queste “molecole miracolose” sono già utilizzate in tutto, dai detersivi per il bucato alla trasformazione alimentare, e la domanda è in aumento. L’ingegneria degli enzimi ci permette di spingere gli enzimi oltre i loro limiti naturali – rendendoli più efficienti, robusti o su misura per svolgere nuovi compiti. Questo ha enormi implicazioni: dalla produzione di farmaci e plastiche più ecologiche alla bonifica dell’inquinamento. Come ha osservato la Royal Swedish Academy assegnando il Premio Nobel per la Chimica 2018, gli scienziati hanno “usato gli stessi principi – cambiamento genetico e selezione – per sviluppare proteine che risolvono i problemi chimici dell’umanità” businessinsider.com. In breve, sfruttando l’evoluzione e la bioingegneria, gli ingegneri degli enzimi stanno trasformando intere industrie e affrontando sfide globali.

Di seguito, analizzeremo cos’è l’ingegneria degli enzimi, come funziona, la sua storia e le principali tecniche, e i molti modi in cui sta trasformando settori come medicina, agricoltura, alimentare, biotecnologia e scienze ambientali. Evidenzieremo anche le scoperte recenti (2024–2025) e citazioni di esperti che guidano questa rivoluzione.

Che cos’è l’ingegneria degli enzimi?

Alla base, l’ingegneria degli enzimi (un ramo dell’ingegneria delle proteine) significa modificare la struttura di un enzima per cambiarne la funzione o le prestazioni khni.kerry.com. Gli enzimi sono catene di amminoacidi ripiegate in forme 3D complesse. La loro forma e chimica determinano quale reazione catalizzano – ad esempio, la scomposizione dell’amido in zucchero o la copia del DNA. Gli ingegneri degli enzimi modificano la sequenza di amminoacidi dell’enzima (cambiando il codice del DNA) affinché l’enzima diventi più adatto a un compito o addirittura catalizzi una nuova reazione. Questo può migliorare proprietà come l’attività (velocità), la specificità (scegliere un bersaglio rispetto ad altri), la stabilità (funzionare in condizioni difficili), o tutte le precedenti khni.kerry.com.

Come modificano gli scienziati gli enzimi? Esistono due strategie principali:

Progettazione razionale (mutagenesi sito-specifica): Se si sa quale parte di un enzima ne influenza la funzione, si possono cambiare intenzionalmente specifici amminoacidi. Questa tecnica, sviluppata negli anni ’80 da Michael Smith (Premio Nobel 1993), si chiama mutagenesi sito-specifica – in sostanza, modifica genetica mirata del gene di un enzima nobelprize.org, nobelprize.org. È come eseguire un intervento chirurgico sul DNA dell’enzima: i ricercatori identificano una “posizione” dell’enzima da modificare, mutano quella lettera del DNA (codone) e così sostituiscono un amminoacido con un altro nell’enzima. Questo metodo è stato rivoluzionario perché ha permesso di “ripogrammare il codice genetico” per costruire proteine con nuove proprietà nobelprize.org. Inizialmente, gli scienziati lo usavano per studiare la struttura e la funzione degli enzimi – ad esempio rendendo un enzima più stabile affinché potesse resistere ai processi industriali, o modificando un anticorpo affinché potesse colpire le cellule tumorali nobelprize.org. Tuttavia, la progettazione razionale richiede una conoscenza approfondita: bisogna prevedere quali cambiamenti avranno un effetto benefico, cosa difficile data la complessità degli enzimi. Come ha detto un ingegnere degli enzimi, ancora oggi “prevedere l’influenza delle mutazioni… è quasi impossibile” a causa dell’intricata interazione tra le molte parti di un enzima aiche.org. La progettazione razionale spesso comportava molte ipotesi ragionate.
Evoluzione Diretta: Quando le ipotesi falliscono, perché non lasciare che sia l’algoritmo della natura a fare il lavoro? L’evoluzione diretta è una tecnica che mima la selezione naturale in laboratorio per evolvere enzimi migliori. Invece di apportare un solo cambiamento mirato, gli scienziati introducono mutazioni casuali nel gene dell’enzima e creano una libreria di migliaia di varianti. Successivamente, selezionano o testano le varianti per trovare quelle con prestazioni migliorate in un determinato compito sigmaaldrich.com, businessinsider.com. I vincitori possono poi essere nuovamente mutati, ripetendo il ciclo in modo iterativo, proprio come l’evoluzione genera organismi meglio adattati. Questo approccio è stato introdotto negli anni ’90 da Frances Arnold, che ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2018 per questo lavoro. Frances Arnold ha riconosciuto che “il modo in cui la maggior parte delle persone affrontava l’ingegneria delle proteine era destinato al fallimento”, così ha provato una strada diversa – “copiare il processo di progettazione della natura, cioè l’evoluzione” businessinsider.com. Permettendo a molti mutanti casuali di competere in un esperimento di sopravvivenza del più adatto, i ricercatori possono scoprire miglioramenti enzimatici a cui un essere umano non penserebbe mai. Il mantra di Arnold per questo metodo è diventato famoso: “Ottieni ciò che selezioni” aiche.org – il che significa che la chiave è progettare un buon test per trovare la caratteristica desiderata. L’evoluzione diretta ha “aumentato in modo drammatico la velocità di cambiamento” possibile negli enzimi, comprimendo ciò che in natura richiederebbe milioni di anni in poche settimane o mesi in laboratorio sigmaaldrich.com. È stata enormemente efficace: come ha sottolineato il comitato Nobel, grazie all’evoluzione diretta gli scienziati hanno sviluppato enzimi utilizzati in “tutto, dai detersivi ecologici e biocarburanti ai farmaci contro il cancro.”businessinsider.com

In pratica, gli ingegneri degli enzimi spesso combinano questi approcci. Potrebbero usare la mutagenesi sito-specifica per apportare alcune modifiche mirate (“approccio razionale”), quindi applicare cicli di evoluzione guidata per ottenere ulteriori miglioramenti sorprendenti. I metodi moderni integrano anche strumenti computazionali: l’analisi bioinformatica e la progettazione assistita da computer possono suggerire quali mutazioni provare o aiutare a modellare le strutture degli enzimi pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Negli ultimi anni, i progressi nel campo del machine learning e dell’IA stanno permettendo una nuova strategia: progettare nuovi enzimi al computer da zero. Nel 2023, ad esempio, i ricercatori dell’Institute for Protein Design dell’Università di Washington hanno utilizzato il deep learning per inventare nuovi enzimi (luciferasi che emettono luce) che non sono mai esistiti in natura newsroom.uw.edu. Uno degli scienziati principali, Andy Hsien-Wei Yeh, ha dichiarato “Siamo stati in grado di progettare enzimi molto efficienti da zero al computer… Questa svolta significa che, in linea di principio, enzimi su misura per quasi qualsiasi reazione chimica potrebbero essere progettati.” newsroom.uw.edu. Una progettazione de novo di enzimi era un sogno lontano dieci anni fa – ora sta diventando realtà, aprendo la strada a un’era di enzimi progettati dall’IA.

Breve storia dell’ingegneria degli enzimi

Gli enzimi sono stati utilizzati dagli esseri umani per millenni (anche se inconsapevolmente) – basti pensare all’antica produzione di birra, alla caseificazione o alla fermentazione del pane, dove gli enzimi naturali dei microrganismi fanno il lavoro. Ma la comprensione scientifica degli enzimi iniziò nel XIX secolo con gli studi sulla digestione e sulla chimica della fermentazione pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Entro la metà del XX secolo, gli scienziati avevano capito che gli enzimi sono proteine e ne avevano decifrato le strutture di base e il modo in cui catalizzano le reazioni. Questo pose le basi teoriche per l’ingegneria degli enzimi pmc.ncbi.nlm.nih.gov: se comprendiamo la struttura di un enzima, possiamo modificarla secondo le nostre esigenze?

Il campo decollò davvero nel tardo XX secolo grazie alle scoperte della biologia molecolare. Due progressi premiati con il Nobel negli anni ’70-’80 prepararono il terreno:

Tecnologia del DNA ricombinante (Ingegneria genetica): Gli strumenti per tagliare, unire e clonare il DNA (sviluppati da Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen, ecc.) permisero agli scienziati di isolare e modificare i geni degli enzimi. Negli anni ’80, divenne possibile produrre enzimi ricombinanti – ad esempio, produrre insulina umana o enzimi industriali in batteri o lieviti, il che rese gli enzimi molto più disponibili per la sperimentazione e l’uso.
Mutagenesi sito-specifica: Inventata da Michael Smith negli anni ’70, questo metodo permise di apportare cambiamenti deliberati di una singola lettera nel DNA nobelprize.org. Per questo, Michael Smith condivise il Premio Nobel per la Chimica nel 1993. Improvvisamente, i biochimici poterono creare una mutazione specifica in un enzima e osservarne l’effetto, migliorando enormemente la comprensione delle relazioni tra struttura e funzione degli enzimi. Il comunicato stampa del Nobel nel 1993 sottolineava che “con il metodo di Smith è possibile riprogrammare il codice genetico… e sostituire specifici amminoacidi nelle proteine. …le possibilità di costruire proteine con nuove proprietà [cambiarono] fondamentalmente.” nobelprize.org Questa fu la nascita della progettazione intenzionale delle proteine. I primi successi includevano la modifica degli enzimi per resistere a temperature più elevate o l’ingegnerizzazione di anticorpi (che sono proteine di legame) per colpire i tumori nobelprize.org – forme primitive di proteine su misura per la medicina e l’industria.

Tuttavia, la progettazione razionale in quegli anni era limitata dalla nostra conoscenza incompleta. Negli anni ’80, molti scienziati cercarono di “accorciare l’evoluzione” analizzando le strutture degli enzimi e prevedendo mutazioni vantaggiose, ma spesso si trovarono frustrati aiche.org. Gli enzimi si rivelarono estremamente complessi; cambiare una parte spesso aveva effetti imprevedibili sull’insieme. Come affermava una recensione, i ricercatori impararono che “gli enzimi non sono così facili da capire” – anche la “maggior parte della catena polipeptidica” attorno al sito attivo è importante per la funzione aiche.org. Alla fine degli anni ’80, solo modesti progressi erano stati fatti con modifiche enzimatiche puramente razionali.

La svolta arrivò all’inizio degli anni 1990 con l’ evoluzione diretta . Nel 1993, Frances H. Arnold – frustrata dai fallimenti dei progetti razionali – pubblicò la prima dimostrazione di evoluzione di un enzima tramite mutazione casuale e screening per migliorarne le prestazioni. Negli anni ’90 e 2000, le tecniche di evoluzione diretta si diffusero rapidamente, grazie a invenzioni come la PCR a errore casuale (per introdurre facilmente mutazioni casuali) e il DNA shuffling (ricombinazione di frammenti genici per mescolare mutazioni vantaggiose) sigmaaldrich.com . I ricercatori svilupparono anche metodi di screening ad alto rendimento e selezioni ingegnose per setacciare le librerie enzimatiche alla ricerca dei tratti desiderati. L’evoluzione diretta si rivelò incredibilmente potente per ottimizzare l’attività, la specificità, la stabilità degli enzimi, e molto altro . Non richiedeva conoscenze dettagliate a priori – solo un buon sistema per generare diversità e trovare i “vincitori”. Nei due decenni successivi, questo approccio rivoluzionò l’ingegneria degli enzimi sia in ambito accademico che industriale. Gli enzimi vennero evoluti per svolgere nuove reazioni (anche mai viste in natura), per funzionare in ambienti non naturali (come solventi tossici o pH estremi), e per migliorare i processi industriali. “L’evoluzione è un algoritmo semplice ed estremamente potente di mutazione e selezione,” come osservava un articolo – e ora gli ingegneri potevano applicare quell’algoritmo a piacimento aiche.org . Imponendo la selezione per ciò che desideriamo, in pratica spingiamo la Natura a inventare soluzioni per noi.Un risultato concreto di rilievo è stato lo sviluppo (circa 2007–2010) da parte di Merck di un enzima evoluto per la sintesi di farmaci. Merck, in collaborazione con l’azienda biotecnologica Codexis, ha utilizzato l’evoluzione guidata per migliorare un enzima destinato alla produzione del farmaco per il diabete sitagliptin. L’enzima finale (dopo diversi cicli di evoluzione) ha eseguito una fase chimica chiave con una selettività del 99,95% e un’elevata resa, sostituendo un catalizzatore a base di metalli pesanti ed eliminando diversi passaggi aiche.org. Il processo enzimatico ha aumentato la resa complessiva del 13% e ridotto i rifiuti chimici del 19%, eliminando la necessità di gas idrogeno ad alta pressione e metalli tossici aiche.org. Questo è stato un traguardo che ha dimostrato che gli enzimi ingegnerizzati possono rendere la produzione farmaceutica più ecologica ed efficiente – e nel 2010 ha valso ad Arnold e collaboratori il prestigioso premio Greener Chemistry. Nel 2018, l’impatto dell’evoluzione guidata è stato così profondo che Frances Arnold, Gregory Winter e George Smith sono stati insigniti del Premio Nobel per la Chimica. Winter e Smith hanno sviluppato metodi per evolvere proteine come gli anticorpi tramite phage display, e Arnold per gli enzimi – insieme, hanno dimostrato che “sfruttare la potenza dell’evoluzione” può portare a invenzioni come nuovi farmaci, biocarburanti e catalizzatori businessinsider.com.

Nel XXI secolo, l’ingegneria enzimatica ha subito solo un’accelerazione. Tra la fine degli anni 2010 e l’inizio degli anni 2020, il design computazionale delle proteine ha fatto progressi (utilizzando software come Rosetta per progettare enzimi per reazioni specifiche) e si è assistito all’ascesa dell’IA nell’ingegneria delle proteine. Grazie a enormi database proteici e al machine learning, gli scienziati possono prevedere le strutture degli enzimi (grazie a scoperte come AlphaFold) e persino generare nuove sequenze enzimatiche con funzioni desiderate newsroom.uw.edu. Nel 2022–2023, i ricercatori hanno riportato l’uso del deep learning per creare nuovi enzimi da zero (in particolare nuove luciferasi, come menzionato sopra) newsroom.uw.edu. Nel frattempo, metodi come l’evoluzione diretta continua e lo screening automatizzato ad alto rendimento stanno rendendo il processo evolutivo più rapido e automatizzato biorxiv.org, sciencedirect.com. L’ingegneria enzimatica oggi è una ricca combinazione di biologia, ingegneria e data science – ben lontana dal metodo per tentativi ed errori dei decenni passati. Come afferma un rapporto industriale del 2024, abbiamo raggiunto solo “la punta dell’iceberg” nello sfruttamento degli enzimi – è stata esplorata solo una piccola frazione degli enzimi possibili, quindi il potenziale è enorme khni.kerry.com.

Tecniche chiave nell’ingegneria enzimatica

Gli ingegneri enzimatici dispongono di una serie di metodi per creare enzimi migliorati. Ecco alcune delle principali tecniche e come funzionano:

Mutagenesi sito-specifica: un metodo preciso per cambiare specifici amminoacidi in un enzima. Gli scienziati progettano un breve primer di DNA con la mutazione desiderata e lo usano per copiare il gene, introducendo la modifica. È come modificare una singola lettera in un progetto. È ottima per testare ipotesi (ad esempio: “cambiare questa glicina in alanina rende l’enzima più stabile?”) e per ottimizzare i siti attivi degli enzimi. La mutagenesi sito-specifica è stato il primo metodo di ingegneria delle proteine e rimane ampiamente utilizzato nobelprize.org. Il suo limite è che bisogna scegliere la mutazione – quindi il successo dipende da quanto è buona la tua ipotesi.
Evoluzione Diretta: Il metodo di punta, come descritto in precedenza. Invece di una singola modifica mirata, si generano molte mutazioni casuali e si seleziona un enzima migliore. I passaggi chiave includono la creazione di una libreria di varianti (tramite PCR ad alta frequenza di errore, DNA shuffling di geni correlati o altre tecniche di mutagenesi sigmaaldrich.com) e un sistema di screening o selezione per trovare le varianti migliorate. Ad esempio, se si desidera un enzima più veloce, si può selezionare per colonie che cambiano colore al substrato più rapidamente, oppure, se si vuole un enzima che funzioni ad alte temperature, si selezionano i sopravvissuti dopo il riscaldamento. L’evoluzione diretta può portare a miglioramenti sorprendenti – enzimi che aumentano l’attività di 100 volte, o che si adattano a funzionare in acqua bollente, ecc. È un processo di tentativi ed errori guidato dalla ricerca cieca dell’evoluzione, ma estremamente efficace. Come riassume un articolo, “L’evoluzione diretta… genera mutazioni casuali nel gene di interesse… imita l’evoluzione naturale imponendo una selezione stringente per identificare proteine con funzionalità ottimizzata” sigmaaldrich.com. Questo metodo non richiede di conoscere la struttura dell’enzima, il che è un enorme vantaggio.
Screening e Selezione ad Alto Rendimento: Questi non sono metodi di ingegneria in senso stretto, ma componenti cruciali soprattutto dell’evoluzione diretta. Includono tecniche per testare rapidamente migliaia di varianti enzimatiche. Ad esempio: saggi colorimetrici in micropiastre, ordinamento cellulare tramite fluorescenza (FACS) per selezionare cellule con enzimi attivi, phage display per collegare proteine al DNA per la selezione, o crescita complementare dove solo gli enzimi migliorati permettono ai batteri di crescere in determinate condizioni sigmaaldrich.com. Migliore è il tuo metodo di screening (“ottieni ciò che selezioni” aiche.org), più è probabile che troverai la variante enzimatica di cui hai bisogno.
Immobilizzazione e Modifica Chimica: A volte l’ingegnerizzazione di un enzima non riguarda solo la modifica dei suoi amminoacidi. L’immobilizzazione degli enzimi è la tecnica di attaccare gli enzimi a supporti solidi (come perline o una resina), il che può migliorarne la stabilità e permetterne il riutilizzo nei reattori industriali labinsights.n l. Pur non alterando la sequenza dell’enzima, è un approccio di ingegnerizzazione per rendere gli enzimi più pratici (non vengono lavati via e spesso tollerano meglio le condizioni quando sono immobilizzati). Le modifiche chimiche, come l’attacco di polimeri (PEGilazione) o il reticolamento delle molecole enzimatiche, possono anche migliorare proprietà come la stabilità o l’emivita in un farmaco. Questi metodi sono stati chiamati “tecnologie enzimatiche di seconda generazione” dagli anni ’70 labinsights.nl, e completano le modifiche genetiche.
Progettazione Computazionale (In Silico): Un approccio in rapida crescita è l’uso di algoritmi informatici per progettare nuovi enzimi o migliorare quelli esistenti. Simulando le strutture degli enzimi e la fisica dei loro siti attivi, gli scienziati cercano di prevedere mutazioni che potrebbero creare un’attività desiderata. I primi tentativi negli anni 2000 spesso non hanno avuto successo, ma il campo è progredito. Oggi, i programmi possono progettare enzimi per determinate reazioni (come la reazione di Diels-Alder in un famoso studio del 2010) e poi questi progetti vengono prodotti in laboratorio e testati. In particolare, il machine learning ora aiuta a navigare il vasto “spazio di ricerca” delle possibili varianti proteiche. Nel 2022, un team ha sviluppato un modello di machine learning chiamato MutCompute per guidare le mutazioni di un enzima che degrada la plastica, migliorandone con successo le prestazioni in modo drammatico molecularbiosci.utexas.edu. E come menzionato, il 2023 ha visto i primi enzimi progettati dall’IA che hanno svolto nuove reazioni chimiche newsroom.uw.edu. La progettazione computazionale è ancora spesso abbinata a evoluzione/esperimenti reali – un’IA può proporre candidati, ma i test e il perfezionamento in laboratorio (anche l’evoluzione) poi li confermano e li migliorano. Tuttavia, la tendenza è verso un’ingegnerizzazione “intelligente” degli enzimi assistita dai big data. Gli esperti prevedono che in futuro i computer potranno progettare in modo affidabile “l’enzima perfetto” per un compito, riducendo la necessità di enormi librerie di screening aiche.org – anche se non ci siamo ancora arrivati.

Combinando queste tecniche, i ricercatori possono ora ottimizzare gli enzimi in modo prevedibile e ripetibile. Come ha concluso una review del 2021, “oggi, l’ingegneria degli enzimi è un campo maturo che può ottimizzare prevedibilmente un catalizzatore per un prodotto desiderato… espandendo la gamma di applicazioni industriali degli enzimi.” aiche.org. In breve, ciò che un tempo era sperimentazione casuale sta diventando sempre più una disciplina ingegneristica razionale e guidata dai dati.

Applicazioni in medicina e farmaceutica

Uno degli impatti più entusiasmanti dell’ingegneria degli enzimi è nella medicina e nello sviluppo di farmaci. Gli enzimi svolgono ruoli nei nostri corpi e nella produzione di molti farmaci moderni. Modificando gli enzimi, gli scienziati stanno creando nuove terapie e migliorando la produzione dei farmaci:

Produzione farmaceutica più verde: molti farmaci sono molecole organiche complesse che tradizionalmente richiedono una sintesi chimica in più fasi (spesso con reagenti tossici o condizioni costose). Gli enzimi ingegnerizzati possono eseguire queste trasformazioni in modo più pulito. Un esempio di punta è la produzione della sitagliptina (Januvia) per il diabete: Merck ha ottimizzato un enzima tramite evoluzione diretta per sostituire un catalizzatore chimico nel processo produttivo. Il risultato è stata una reazione più efficiente, con una resa maggiore e meno rifiuti pericolosi aiche.org. Questo successo ha dimostrato che “l’ingegneria degli enzimi è stata fondamentale” per semplificare una sintesi chimica complessa, ottenendo il 13% di resa in più e il 19% di rifiuti in meno grazie all’uso di un enzima evoluto aiche.org. Da allora, molte aziende farmaceutiche hanno adottato catalizzatori enzimatici per la produzione di farmaci (ad esempio, per la produzione del farmaco per abbassare il colesterolo atorvastatina e altri), riducendo significativamente l’impatto ambientale e i costi.
Terapie enzimatiche: alcune malattie sono causate dall’assenza o dal malfunzionamento di enzimi nel corpo (ad esempio, le malattie da accumulo lisosomiale, in cui al paziente manca un enzima specifico per degradare certi metaboliti). L’ingegneria degli enzimi consente la progettazione di terapie di sostituzione enzimatica più sicure ed efficaci. Le aziende hanno modificato enzimi usati come farmaci (ad esempio, PEGilando un enzima per farlo durare più a lungo in circolo, o alterando i suoi amminoacidi per ridurre le reazioni immunitarie). Un caso notevole è l’enzima asparaginasi, usato per trattare la leucemia privando le cellule tumorali dell’asparagina. I ricercatori hanno ingegnerizzato una versione di asparaginasi con minori effetti collaterali e maggiore stabilità, migliorandone il profilo terapeutico pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Allo stesso modo, gli enzimi lattasi sono ingegnerizzati e venduti come integratori per aiutare le persone intolleranti al lattosio a digerire i latticini.
Biofarmaci e Biologici: Oltre agli enzimi classici, anche l’ampio campo delle proteine terapeutiche (anticorpi, citochine, ecc.) trae beneficio dalle tecniche di ingegneria proteica. Il Premio Nobel 2018 ha premiato Sir Gregory Winter per aver evoluto anticorpi tramite phage display – in sostanza applicando l’ingegneria degli enzimi/proteine per sviluppare nuovi farmaci come Humira, il medicinale più venduto al mondo per le malattie autoimmuni businessinsider.com. Questo lavoro è strettamente collegato all’ingegneria degli enzimi. Infatti, l’annuncio stampa del Nobel ha sottolineato che questi metodi hanno prodotto “anticorpi che attaccano il cancro” e altre scoperte nobelprize.org. Oggi, i laboratori usano regolarmente l’evoluzione guidata o la progettazione razionale per migliorare l’affinità e la specificità dei farmaci a base di anticorpi.
Diagnostica e Biosensori: Anche gli enzimi ingegnerizzati sono fondamentali nella diagnostica medica. Si pensi alle strisce per il test della glicemia per i diabetici – usano l’enzima glucosio ossidasi. Modificando questi enzimi, gli scienziati hanno migliorato la sensibilità e la stabilità dei test diagnostici. Enzimi combinati con anticorpi nei kit ELISA o con elettrodi nei biosensori possono rilevare biomarcatori a bassi livelli. Ad esempio, i ricercatori hanno ingegnerizzato enzimi per rilevare meglio alcuni metaboliti o persino virus tramite test rapidi labinsights.nl. Come abbiamo visto durante il COVID-19, enzimi come le polimerasi PCR e gli enzimi associati a CRISPR sono stati ottimizzati per rilevare rapidamente il materiale genetico virale. Quindi, l’ingegneria degli enzimi contribuisce a test medici più rapidi e accurati.
Nuove Strategie Terapeutiche: Alcune terapie all’avanguardia utilizzano letteralmente enzimi come “farmaci” per svolgere funzioni innovative. Un esempio è l’uso di un enzima batterico per filtrare le tossine dal sangue nelle macchine per dialisi (gli scienziati hanno sperimentato enzimi che degradano le tossine uremiche durante la dialisi renale labinsights.nl). Un altro esempio è la terapia contro il cancro che utilizza enzimi per attivare i farmaci chemioterapici solo nel sito tumorale (un enzima viene ingegnerizzato per convertire un pro-farmaco non tossico in un farmaco tossico nel tessuto canceroso, risparmiando le cellule sane). Gli enzimi vengono anche progettati per degradare la matrice protettiva attorno ai tumori o per privare i tumori dei nutrienti – tutti approcci altamente mirati attualmente in fase di studio.

In sintesi, l’ingegneria degli enzimi sta aiutando a rendere i medicinali più economici e più ecologici da produrre, e sta permettendo nuovi trattamenti e diagnostica. Come ha detto un esperto, “le possibilità sono infinite” – dalla gestione dei rifiuti in ambito farmaceutico alla somministrazione di farmaci all’interno del corpo news.utexas.edu. E poiché gli enzimi sono così specifici, il loro utilizzo in medicina può ridurre gli effetti collaterali rispetto ai prodotti chimici generici. È un passo significativo verso una sanità più personalizzata e sostenibile.

Approfondimento dell’esperto: Riflettendo sul quadro generale, la premio Nobel Frances Arnold ha osservato che copiare il processo di progettazione evolutiva della natura ha aperto un mondo di nuove soluzioni mediche. “Tutta questa straordinaria bellezza e complessità del mondo biologico nasce da un unico, semplice e bellissimo algoritmo di progettazione… Io uso quell’algoritmo per costruire nuove cose biologiche,” ha detto Arnold businessinsider.com. Queste “nuove cose biologiche” includono gli enzimi e le proteine avanzate che oggi salvano vite.

Applicazioni in agricoltura e alimentazione

L’ingegneria degli enzimi sta trasformando il modo in cui coltiviamo il cibo, lo produciamo e persino ciò che mangiamo. In agricoltura e nell’industria alimentare, gli enzimi sono da tempo dei cavalli di battaglia (basti pensare al caglio nel formaggio o alle amilasi nella panificazione). Ora, gli enzimi ingegnerizzati stanno permettendo una produzione alimentare più sostenibile, efficiente e nutriente:

Crescita e protezione delle colture: Agricoltori e aziende agritech stanno utilizzando enzimi per migliorare la salute del suolo e delle piante. Ad esempio, le piante hanno bisogno di fosforo, ma gran parte di esso è bloccato nel terreno come acido fitico che gli animali non possono digerire. Le fitasi sono enzimi che rilasciano fosfato dall’acido fitico; gli scienziati hanno ingegnerizzato enzimi fitasi più resistenti al calore (per sopravvivere nei pellet di mangime animale) e attivi nell’intestino. L’aggiunta di questi enzimi ingegnerizzati ai mangimi per il bestiame aumenta notevolmente l’assorbimento dei nutrienti e riduce l’inquinamento da fosforo derivante dai rifiuti animali link.springer.com, abvista.com. Sono inoltre in corso sforzi per creare colture transgeniche che esprimano tali enzimi nei loro semi, rendendo le colture stesse più nutrienti per animali e umani pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Inoltre, enzimi naturali delle piante o microbici che difendono da parassiti o malattie possono essere ottimizzati. I ricercatori hanno sperimentato enzimi che degradano tossine fungine o esoscheletri di insetti come pesticidi ecologici, anche se questi sono ancora in fase di sviluppo.
Trasformazione e Qualità degli Alimenti: Qui è dove gli enzimi già brillano – dalla produzione della birra all’intenerimento della carne – e l’ingegneria enzimatica li potenzia ulteriormente. Gli enzimi ingegnerizzati aiutano a trasformare gli alimenti in modo più efficiente e a migliorarne la qualità. Ad esempio, gli enzimi nella lavorazione dell’amido (per produrre dolcificanti come lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio) avevano tradizionalmente limiti di temperatura e pH. Ingegnerizzando questi enzimi (ad es. amilasi che scindono l’amido e glucosio isomerasi che converte il glucosio in fruttosio), le aziende hanno ottenuto processi a temperature più elevate e pH ottimale, ottenendo un prodotto più dolce e con meno impurità aiche.org. Nel settore lattiero-caseario, l’enzima chimosina (usato nella produzione del formaggio) è stata una delle prime proteine prodotte tramite DNA ricombinante; ora esistono versioni ottimizzate per diversi sapori di formaggio o per la produzione di formaggi vegetariani. Lattasi è un altro enzima che è stato ingegnerizzato per produrre latte senza lattosio in modo più efficiente, agendo rapidamente a basse temperature. Nella panificazione, enzimi ingegnerizzati aiutano il pane a rimanere morbido più a lungo (amilasi anti-raffermanti) e migliorano la lavorazione dell’impasto. L’industria della birra utilizza enzimi ingegnerizzati per migliorare le rese e produrre birre a basso contenuto di carboidrati o ridotte in glutine, scomponendo componenti specifici.
Miglioramento del Valore Nutrizionale degli Alimenti: Gli enzimi possono degradare composti indesiderati e generare quelli benefici. Ad esempio, alcune verdure contengono glucosinolati amari; un enzima ingegnerizzato potrebbe ridurre l’amarezza modificando questi composti (questa è un’applicazione ipotetica ma plausibile per il futuro). Un esempio reale sono gli oligosaccaridi del latte umano (HMO) – zuccheri complessi presenti nel latte materno che favoriscono la salute intestinale dei neonati. Sono difficili da sintetizzare chimicamente, ma gli ingegneri enzimatici hanno sviluppato vie biosintetiche usando più enzimi per produrre HMO per le formule per lattanti aiche.org. Ottimizzando ogni enzima della via (per maggiore attività e stabilità), ora le aziende possono produrre HMO che prima erano accessibili solo tramite il latte materno, portando benefici nutrizionali anche ai bambini alimentati con formula aiche.org.
Riduzione degli Sprechi Alimentari & Sicurezza degli Alimenti: Gli enzimi aiutano anche nella conservazione degli alimenti. Enzimi ingegnerizzati vengono usati per mantenere il pane privo di muffa più a lungo o per evitare che i succhi di frutta si intorbidiscano. Ad esempio, un enzima che degrada la pectina responsabile dell’intorbidimento nei succhi può essere reso più robusto per agire rapidamente nella lavorazione a freddo. Per rendere il caffè più sicuro, si può aggiungere un enzima (come menzionato in un rapporto del 2024) che degrada l’acrilammide – un potenziale cancerogeno che si forma durante la tostatura dei chicchi di caffè – senza alterare il sapore khni.kerry.com. Ingegnerizzando tali enzimi per renderli alimentari e efficienti, possiamo rimuovere sostanze nocive dagli alimenti. L’estensione della shelf life è un altro ambito: enzimi che prevengono l’irrancidimento dei grassi o che inibiscono la crescita microbica vengono adattati per mantenere gli alimenti freschi più a lungo, riducendo così gli sprechi.
Nuovi prodotti alimentari: L’ingegneria degli enzimi consente la creazione di nuovi ingredienti. Ad esempio, l’industria degli alimenti a base vegetale utilizza enzimi per sviluppare sostituti della carne e dei latticini. Gli enzimi possono migliorare la consistenza delle proteine (come negli hamburger vegetali) o sintetizzare aromi naturali. Una transglutaminasi ingegnerizzata (enzima “colla per carne”) viene utilizzata per legare insieme le proteine vegetali e imitare le fibre della carne. La fermentazione di precisione – l’uso di microrganismi per produrre ingredienti alimentari – si basa spesso su enzimi e vie metaboliche ottimizzati. Oggi abbiamo proteine del latte (caseina, siero) prodotte tramite fermentazione del lievito, grazie a enzimi e geni ingegnerizzati, che possono essere usate per produrre vero formaggio senza mucche. Allo stesso modo, gli enzimi vengono utilizzati per produrre dolcificanti (come un processo enzimatico per produrre dolcificante di frutto del monaco o stevia RebM a costi inferiori) khni.kerry.com. Molti di questi processi non erano possibili fino a quando l’ingegneria degli enzimi non ha reso i biocatalizzatori abbastanza efficienti da essere commerciali.

Nel complesso, l’ingegneria degli enzimi sta aiutando a costruire un sistema alimentare più sostenibile, dal campo alla tavola. Migliora le rese e riduce l’uso di prodotti chimici in agricoltura, consente una lavorazione degli alimenti più pulita con meno sprechi e apre anche la strada a nuovi alimenti. Un’analisi sulle prospettive della scienza alimentare del 2024 ha affermato che l’evoluzione diretta degli enzimi sta offrendo funzionalità migliorate che permettono ai produttori di creare “prodotti più sani e gustosi che hanno un minore impatto sull’ambiente” khni.kerry.com. Gli enzimi ci permettono di sostituire fasi industriali aggressive con processi delicati e bio-based. Come ha affermato il Dr. Niall Higgins di Kerry, gli enzimi sono i biocatalizzatori della natura e siamo solo all’inizio nel sfruttarne il potenziale – combinarli con IA e biotecnologie “trasformerà positivamente il nostro sistema alimentare costruendo una filiera più efficiente e sostenibile.” khni.kerry.com.

E sì, questo riguarda anche la tua vita quotidiana: quel detersivo enzimatico nella tua lavanderia (proteasi che sciolgono le macchie) o la polvere intenerente per carne nella tua cucina (enzima papaina) sono prodotti dell’ingegneria degli enzimi che rendono più semplici le attività di tutti i giorni labinsights.nl. Quindi, la prossima volta che gusti una birra, un formaggio o un succo di frutta limpido, è molto probabile che un enzima ingegnerizzato abbia avuto un ruolo!

Biotecnologie industriali e applicazioni ambientali

Oltre al settore alimentare e farmaceutico, l’ingegneria degli enzimi sta rivoluzionando i processi industriali e offrendo soluzioni ai problemi ambientali. La biotecnologia industriale utilizza enzimi per sostituire i catalizzatori chimici tradizionali nella produzione di sostanze chimiche, materiali e carburanti. E nelle scienze ambientali, gli enzimi ingegnerizzati offrono nuovi modi per degradare inquinanti, riciclare rifiuti e persino catturare gas serra.

Industria più pulita con processi enzimatici

La chimica industriale tradizionale può essere inquinante – produce sottoprodotti tossici, consuma molta energia e si basa su catalizzatori non rinnovabili (come i metalli pesanti). Gli enzimi offrono un’alternativa più pulita perché lavorano in acqua a temperature moderate e sono biodegradabili. L’ingegneria degli enzimi aiuta ad adattare gli enzimi alle condizioni industriali e a nuovi substrati:

Tessili e detergenti: Gli enzimi sono stati una benedizione per le industrie della lavanderia e dei tessuti. Proteasi e amilasi ingegnerizzate nei detersivi per bucato tagliano proteine e amidi nelle macchie, funzionando anche a basse temperature di lavaggio e a diversi livelli di pH. Le aziende hanno migliorato questi enzimi per renderli stabili nei detersivi in polvere e in presenza di candeggina. Il risultato: puoi lavare i vestiti in acqua fredda e rimuovere le macchie ostinate, risparmiando energia e acqua. Nei tessuti, gli enzimi sostituiscono sostanze chimiche aggressive in processi come la “stone-washing” dei jeans (utilizzando enzimi cellulasi per dare al denim un aspetto sbiadito) e la bio-lucidatura dei tessuti (per prevenire il pilling). Questi enzimi sono stati ingegnerizzati per resistere alle condizioni di lavorazione tessile (ad es. elevato stress meccanico e pH specifici). Le applicazioni degli enzimi nell’industria leggera – inclusi la depilazione delle pelli, la sbiancatura della carta e la produzione di biocarburanti da scarti agricoli – sono cresciute enormemente grazie agli enzimi ingegnerizzati labinsights.nl.
Biocarburanti ed energia: Gli enzimi sono fondamentali per convertire la biomassa (come residui agricoli, legno o alghe) in biocarburanti. Le cellulasi che degradano la cellulosa in zuccheri sono essenziali per la produzione di etanolo cellulosico (un carburante rinnovabile). Le cellulasi naturali non erano abbastanza efficienti o si degradavano sopra i 50 °C. Grazie all’ingegneria, ora disponiamo di miscele di cellulasi che tollerano alte temperature e condizioni acide di pretrattamento, raddoppiando le rese di zucchero dalla biomassa. Questo rende la produzione di biocarburanti più praticabile. In un caso, gli scienziati hanno aumentato la stabilità di un enzima che degrada il legno affinché potesse sopravvivere al pretrattamento della biomassa vegetale e continuare a funzionare, riducendo così i costi. Si lavora anche su enzimi per la produzione di biodiesel (lipasi che convertono oli vegetali in biodiesel) per rendere il processo più pulito e riutilizzabile con enzimi. Il riassunto di labinsights segnala che l’uso di enzimi per produrre carburanti come idrogeno, metano, etanolo e metanolo da materiali vegetali è una “nuova strada che si sta esplorando” per l’energia sostenibile labinsights.nl. Gli enzimi ingegnerizzati da estremofili (microrganismi amanti del calore) sono particolarmente preziosi qui, poiché i reattori industriali per biocarburanti spesso funzionano ad alte temperature.
Sintesi chimica (“Chimica verde”): Abbiamo visto con l’esempio della sitagliptina come gli enzimi possano sostituire i catalizzatori metallici. Molti prodotti chimici fini e precursori di plastiche possono essere prodotti anche tramite biocatalisi se l’enzima è sufficientemente efficace. L’ingegneria enzimatica ha prodotto esterasi e lipasi per la produzione di esteri per cosmetici e aromi alimentari (sostituendo catalizzatori acidi corrosivi), transaminasi e chetoreduttasi per la sintesi chimica chirale in ambito farmaceutico (producendo configurazioni molecolari enantiomericamente pure), e persino nitrilasi per produrre acidi organici senza acidi pericolosi. Una rassegna della American Chemical Society ha evidenziato che enzimi ingegnerizzati ora eseguono reazioni chimiche che un tempo si pensavano impossibili biologicamente, permettendo percorsi a singolo passaggio per composti che prima richiedevano più fasi aiche.or g. Questa tendenza sta rendendo la produzione non solo più ecologica ma spesso anche più economica, poiché i processi richiedono meno purificazione e funzionano a pressione ambiente.

Ingegneria enzimatica per soluzioni ambientali

Forse l’aspetto più stimolante è come l’ingegneria enzimatica venga applicata per combattere l’inquinamento e aiutare l’ambiente:

Enzimi che mangiano la plastica: Nel 2016, scienziati giapponesi hanno scoperto un batterio (Ideonella sakaiensis) che si è evoluto per mangiare la plastica PET (comune nelle bottiglie d’acqua) theguardian.com. Produce un enzima chiamato PETasi che può scomporre il PET nei suoi componenti di base. Tuttavia, l’enzima naturale era lento – ci volevano settimane per degradare un piccolo pezzo di plastica theguardian.com. Ed ecco entrare in scena gli ingegneri degli enzimi: diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno iniziato a mutare ed evolvere la PETasi per renderla più veloce e stabile. Nel 2020, un team aveva creato un mutante circa 6 volte più veloce. Poi, nel 2022, una svolta all’Università del Texas ad Austin ha prodotto una variante di PETasi chiamata FAST-PETase che poteva depolimerizzare i rifiuti di plastica in appena 24 ore in condizioni moderate news.utexas.edu. Questo enzima è stato progettato usando un algoritmo di apprendimento automatico (per identificare mutazioni vantaggiose) e poi testato e migliorato in laboratorio news.utexas.edu. Hal Alper, il responsabile del progetto, ha dichiarato “Le possibilità sono infinite in tutti i settori per sfruttare questo… Attraverso questi approcci enzimatici più sostenibili, possiamo iniziare a immaginare una vera economia circolare della plastica.” news.utexas.edu. In altre parole, gli enzimi potrebbero permetterci di riciclare la plastica all’infinito scomponendola in materia prima e risintetizzandola, invece di smaltirla o incenerirla. Questo cambia le regole del gioco per l’inquinamento da plastica. Come ha osservato un altro ricercatore, Andy Pickford, a proposito dell’enzima PETasi originale: “l’enzima di Ideonella è in realtà molto all’inizio del suo sviluppo evolutivo… È compito degli scienziati umani portarlo fino in fondo.” theguardian.com Stiamo assistendo proprio a questo – l’evoluzione guidata dall’uomo che trasforma un lento rosicchiatore di plastica in un vorace riciclatore di plastica. Aziende e startup (come Protein Evolution, secondo un rapporto Forbes del 2023) stanno ora usando l’IA e l’evoluzione guidata per creare enzimi che digeriscono vari tipi di plastica e polimeri, affrontando potenzialmente i nostri problemi di rifiuti in discarica e negli oceani pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Bonifica ambientale: Oltre alle plastiche, enzimi ingegnerizzati possono degradare altri inquinanti. Ad esempio, enzimi chiamati laccasi e perossidasi (da funghi e batteri) possono degradare coloranti tossici nelle acque reflue tessili e persino alcuni pesticidi. Questi enzimi sono stati ingegnerizzati per essere più stabili in presenza di inquinanti e per funzionare a livelli di pH più elevati degli effluenti industriali phys.org. Un altro obiettivo sono le marea nera – gli scienziati stanno migliorando enzimi come le alcano idrossilasi che digeriscono gli idrocarburi del petrolio, per aiutare la biorisanamento delle fuoriuscite. Sono in corso ricerche su enzimi che potrebbero degradare i PFAS (“sostanze chimiche eterne”) – inquinanti chimici molto stabili – ingegnerizzando enzimi naturali che attaccano legami simili. Sebbene sia una sfida, alcuni laboratori hanno riportato successi iniziali nell’ingegnerizzazione di enzimi per degradare lentamente alcuni composti PFAS (un’area di frontiera al 2025).
Cattura del carbonio e clima: Gli enzimi potrebbero persino aiutare a combattere il cambiamento climatico. Un’idea è usare enzimi fissatori di carbonio (come la rubisco o l’anidrasi carbonica) per catturare la CO₂ in modo più efficiente. La rubisco naturale nelle piante non è molto veloce, quindi gli scienziati hanno provato a ingegnerizzarla o a trapiantare versioni più efficienti dai batteri nelle piante coltivate. I progressi sono modesti, ma anche piccoli aumenti di efficienza nella fissazione della CO₂ potrebbero migliorare le rese delle colture o la produzione di biocarburanti. L’anidrasi carbonica, che converte la CO₂ in bicarbonato, è stata modificata per funzionare nelle soluzioni industriali di cattura del carbonio, aiutando a intrappolare la CO₂ dai fumi delle centrali elettriche. Una rassegna del 2023 ha evidenziato l’uso di enzimi ingegnerizzati per migliorare la cattura e l’utilizzo del carbonio, sottolineando questo come un’area chiave per la sostenibilità pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Sebbene gli enzimi da soli non risolveranno il cambiamento climatico, sono componenti preziosi nella cassetta degli attrezzi per la gestione del carbonio e la creazione di combustibili a emissioni zero (tramite il riciclo enzimatico della CO₂ in prodotti chimici).
Trattamento delle acque reflue: Gli enzimi sono utilizzati per trattare le acque reflue e i flussi di rifiuti degradando la materia organica e le tossine. Ad esempio, le organofosfato idrolasi sono state ingegnerizzate per degradare agenti nervini e pesticidi nell’acqua. Nitrilasi e deidrogenasi possono detossificare solventi industriali. Migliorando l’attività e la gamma di questi enzimi, gli impianti di trattamento delle acque reflue possono neutralizzare più efficacemente le sostanze chimiche nocive prima che l’acqua venga scaricata. In un caso, i ricercatori hanno ingegnerizzato un enzima per degradare un comune contaminante delle acque sotterranee (1,2-dicloroetano), ottenendo una decontaminazione più rapida. Gli enzimi offrono un approccio di biorisanamento che a volte può essere effettuato in loco semplicemente aggiungendo l’enzima o i microbi che lo producono.

Dalla catalisi industriale alla bonifica ambientale, l’ingegneria degli enzimi offre soluzioni più pulite, sicure e spesso più economiche. Si allinea ai principi della sostenibilità – utilizzando catalizzatori biologici rinnovabili per sostituire sostanze chimiche aggressive. Come ha detto la Royal Swedish Academy, i vincitori del Nobel 2018 hanno dimostrato come l’evoluzione guidata possa creare “proteine che risolvono i problemi chimici dell’umanità” businessinsider.com. Lo vediamo in azione in questi esempi: che il “problema chimico” sia un processo industriale inquinante o un inquinante tossico, gli enzimi ingegnerizzati si stanno affermando come risolutori di problemi.

Per fare un esempio recente e significativo, consideriamo ciò che ha detto Andrew Ellington (un biochimico coinvolto nel lavoro su FAST-PETase): “Questo lavoro dimostra davvero la potenza di unire discipline diverse, dalla biologia sintetica all’ingegneria chimica fino all’intelligenza artificiale.” news.utexas.edu L’ingegneria degli enzimi si trova davvero all’incrocio tra le discipline – e i suoi successi, come l’enzima mangia-plastica, sono una testimonianza di questo potere collaborativo.

Progressi recenti (2024–2025) e prospettive future

A partire dal 2024–2025, l’ingegneria degli enzimi sta avanzando a velocità vertiginosa, grazie alle nuove tecnologie. Ecco alcune tendenze e scoperte principali dell’ultimo anno o due, che indicano dove sta andando il settore:

Enzimi progettati dall’IA: Un traguardo importante è stato raggiunto all’inizio del 2023, quando i ricercatori hanno riportato i primi enzimi creati interamente tramite progettazione IA che funzionano bene quanto quelli naturali newsroom.uw.edu. Addestrando modelli di deep learning su database di sequenze proteiche, gli scienziati possono ora generare nuove strutture enzimatiche su misura per legare molecole specifiche. L’articolo su Nature “De novo design of luciferases using deep learning” lo ha dimostrato producendo enzimi che emettono luce (luciferasi) per substrati chimici scelti newsroom.uw.edu. Questi enzimi progettati dall’IA, dopo alcune ottimizzazioni in laboratorio, sono risultati più efficienti di alcuni presenti in natura newsroom.uw.edu. Questa scoperta suggerisce che in un futuro prossimo, se hai in mente una reazione chimica, potresti chiedere a un’IA di “immaginare” un enzima per essa. Come ha osservato il Dr. David Baker, ciò potrebbe permettere enzimi su misura per quasi ogni reazione, a beneficio di “biotecnologia, medicina, bonifica ambientale e produzione” newsroom.uw.edu. Diverse startup (come Catalyze e ProteinQure) sono ora attive in questo settore, con l’obiettivo di ridurre i tempi di sviluppo degli enzimi utilizzando algoritmi.
Sistemi di evoluzione continua: L’evoluzione diretta tradizionale è graduale e richiede molto lavoro: mutare, esprimere, selezionare, ripetere. Nuovi metodi automatizzano questo processo, come i sistemi di evoluzione diretta continua in cui batteri o fagi mutano un gene bersaglio in tempo reale mentre si replicano. Nel 2024, i ricercatori hanno introdotto sistemi migliorati (come MutaT7 e altri) che possono evolvere enzimi all’interno di cellule viventi in modo continuo, accelerando notevolmente il processo biorxiv.org s, ciencedirect.com. Uno di questi metodi ha collegato l’attività enzimatica alla crescita cellulare, così che solo le cellule con un enzima migliore sopravvivono e si propagano – una selezione elegante che si è protratta per molte generazioni, producendo un enzima altamente ottimizzato in pochi giorni invece che in mesi journals.asm.org. Anche l’automazione e la microfluidica vengono utilizzate per realizzare l’evoluzione diretta con un intervento umano minimo, il che potrebbe rendere l’ottimizzazione enzimatica una pipeline quasi completamente robotica in futuro.
Approcci ibridi (Apprendimento automatico + Evoluzione): Gli scienziati stanno combinando l’IA con l’evoluzione in laboratorio in un ciclo continuo. In un rapporto del 2022, un modello di apprendimento automatico ha guidato quali mutazioni effettuare (imparando dai dati di ogni ciclo), e questa evoluzione diretta ha ottenuto un enzima migliore con meno cicli molecularbiosci.utexas.edu. Questo approccio di “apprendimento attivo” sta diventando popolare – in sostanza l’algoritmo prevede le mutazioni promettenti, queste vengono testate, i dati vengono reinseriti e il modello aggiorna le sue previsioni. Può ridurre le dimensioni delle librerie e concentrarsi sui cambiamenti benefici. Man mano che i dataset enzimatici crescono, questi modelli diventano più intelligenti. Ci si aspetta che dal 2025 in poi, la maggior parte delle campagne di evoluzione diretta sfrutterà l’IA in qualche misura, rendendo le ricerche più efficienti.
Espansione della cassetta degli attrezzi enzimatici: Si stanno scoprendo nuovi enzimi provenienti da ambienti estremi (sorgenti termali, bocche idrotermali profonde, ghiacci polari) che possiedono capacità interessanti (i cosiddetti extremozymes). Nel 2024, un gruppo ha riportato l’ingegnerizzazione di un enzima da un microbo di acque profonde per funzionare nella catalisi industriale a 5 °C, aprendo possibilità per processi a risparmio energetico (senza necessità di riscaldare i reattori) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. C’è anche attenzione verso enzimi artificiali – non proteine, ma molecole ingegnerizzate (come enzimi a DNA o catalizzatori peptidici). Tuttavia, gli enzimi proteici restano i principali protagonisti grazie al vantaggio evolutivo.
Risolvere sfide mediche: L’ingegneria enzimatica rimane all’avanguardia nell’innovazione medica. Un recente progresso (2025) ha coinvolto un enzima ingegnerizzato in grado di attraversare la barriera emato-encefalica per degradare un metabolita tossico nel cervello, offrendo un potenziale trattamento per una rara malattia neurologica (questo è ipotetico come esempio di direzione di ricerca attiva). Inoltre, a fine 2024 gli scienziati hanno riportato una variante di enzima CRISPR-Cas altamente evoluta con attività fuori bersaglio estremamente bassa, rendendo l’editing genetico più preciso – quella variante è stata ottenuta tramite evoluzione diretta e potrebbe migliorare la sicurezza delle terapie CRISPR.
Regolamentazione e accettazione pubblica: A grandi poteri corrispondono grandi responsabilità, e una nota sulle prospettive non è completa senza menzionare la regolamentazione e la percezione pubblica. Gli enzimi ingegnerizzati usati negli alimenti o rilasciati nell’ambiente sono sottoposti a valutazioni di sicurezza. I regolatori in UE e USA sono generalmente favorevoli, poiché i prodotti enzimatici spesso sostituiscono sostanze chimiche più aggressive. Tuttavia, gli enzimi prodotti da microrganismi OGM devono essere etichettati in alcune giurisdizioni. L’accettazione pubblica è elevata quando i benefici (ad es. meno inquinamento, migliore nutrizione) sono chiari, ma la trasparenza è fondamentale. Gli esperti prevedono una “crescente attenzione al panorama normativo” man mano che più prodotti da microrganismi ingegnerizzati entrano in alimentazione e agricoltura khni.kerry.com. Comunicare la sicurezza e i vantaggi della tecnologia enzimatica sarà un compito continuo.

In conclusione, l’ingegneria degli enzimi sta cavalcando un’onda di progressi tecnologici, e probabilmente assisteremo a sviluppi ancora più rapidi e radicali nei prossimi anni. Come ha titolato un articolo del 2023, “Gli scienziati stanno usando l’IA per inventare enzimi artificiali” singularityhub.com – e questi sogni stanno diventando realtà in laboratorio. La sinergia tra biologia e tecnologia qui è profonda: l’evoluzione (l’algoritmo di progettazione della natura) è ora affiancata dagli algoritmi di progettazione umani.

Considerazioni finali

L’ingegneria degli enzimi potrebbe non essere così famosa agli occhi del grande pubblico come l’editing genetico o l’IA, ma il suo impatto è probabilmente altrettanto vasto. Sfruttando e potenziando i catalizzatori della natura, stiamo rimodellando industrie che toccano ogni aspetto della vita quotidiana – dai medicinali che assumiamo, al cibo che mangiamo, ai vestiti che indossiamo, e all’ambiente in cui viviamo. E tutto ciò avviene spesso in modo più pulito e sostenibile.

Per citare ancora una volta la premio Nobel Frances Arnold: “Innovazione tramite evoluzione: portare nuova chimica alla vita.” aiche.org L’ingegneria degli enzimi incarna questa frase. Usa l’innovazione ispirata all’evoluzione per dare vita a nuova chimica – che si tratti di un farmaco che salva vite o di un enzima che degrada la plastica. Il settore vanta una ricca storia di scoperte e attualmente è in fermento come mai prima d’ora. Nel 2025 stiamo assistendo a una trasformazione nel modo in cui risolviamo i problemi usando la biologia. Gli ingegneri degli enzimi stanno, in sostanza, creando soluzioni più intelligenti, più ecologiche e più in sintonia con la vita stessa. E questa rivoluzione degli enzimi è solo all’inizio.

Breve storia dell’ingegneria degli enzimi

Gli enzimi sono stati utilizzati dall’uomo per millenni (anche inconsapevolmente) – basti pensare all’antica produzione di birra, formaggio o alla fermentazione del pane, dove gli enzimi naturali dei microrganismi fanno il lavoro. Ma la comprensione scientifica degli enzimi iniziò nel XIX secolo con gli studi sulla digestione e la chimica della fermentazione pmc.ncbi.nlm.nih.gov. A metà del XX secolo, gli scienziati capirono che gli enzimi sono proteine e ne decifrarono le strutture di base e il modo in cui catalizzano le reazioni. Questo pose le basi teoriche per l’ingegneria degli enzimi pmc.ncbi.nlm.nih.gov: se comprendiamo la struttura di un enzima, possiamo modificarla secondo le nostre esigenze?

Il settore decollò davvero nella seconda metà del XX secolo grazie alle scoperte della biologia molecolare. Due progressi premiati con il Nobel negli anni ’70-’80 posero le basi:

Tecnologia del DNA ricombinante (Ingegneria genetica): Strumenti per tagliare, unire e clonare il DNA (sviluppati da Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen, ecc.) permisero agli scienziati di isolare e modificare i geni per gli enzimi. Negli anni ’80, divenne possibile produrre enzimi ricombinanti – ad esempio, produrre insulina umana o enzimi industriali in batteri o lieviti, il che rese gli enzimi molto più disponibili per la sperimentazione e l’uso.
Mutagenesi sito-specifica: Inventata da Michael Smith negli anni ’70, questo metodo permise cambiamenti deliberati di una singola lettera nel DNA nobelprize.org. Per questo, Michael Smith condivise il Premio Nobel per la Chimica 1993. Improvvisamente, i biochimici potevano creare una mutazione specifica in un enzima e osservarne l’effetto, migliorando enormemente la comprensione delle relazioni struttura-funzione degli enzimi. Il comunicato stampa del Nobel nel 1993 sottolineava che “con il metodo di Smith è possibile riprogrammare il codice genetico… e sostituire specifici amminoacidi nelle proteine. …le possibilità di costruire proteine con nuove proprietà [sono cambiate] radicalmente.” nobelprize.org Questa fu la nascita della progettazione intenzionale delle proteine. I primi successi includevano la modifica di enzimi per resistere a temperature più elevate o l’ingegnerizzazione di anticorpi (che sono proteine di legame) per colpire i tumori nobelprize.org – forme primitive di proteine su misura per la medicina e l’industria.

Tuttavia, la progettazione razionale in quegli anni era limitata dalla nostra conoscenza incompleta. Negli anni ’80, molti scienziati tentarono di “accorciare l’evoluzione” analizzando le strutture degli enzimi e prevedendo mutazioni vantaggiose, ma spesso si trovarono frustrati aiche.org. Gli enzimi si rivelarono altamente complessi; cambiare una parte spesso aveva effetti imprevedibili sull’insieme. Come affermava una recensione, i ricercatori impararono che “gli enzimi non sono così facili da capire” – anche la “massa della catena polipeptidica” attorno al sito attivo è importante per la funzione aiche.org. Alla fine degli anni ’80, solo modesti progressi erano stati fatti con modifiche puramente razionali degli enzimi.

La svolta è arrivata all’inizio degli anni 1990 con la directed evolution. Nel 1993, Frances H. Arnold – frustrata dai fallimenti dei progetti razionali – pubblicò la prima dimostrazione di evoluzione di un enzima tramite mutazione casuale e screening per migliorarne le prestazioni. Negli anni ’90 e 2000, le tecniche di directed evolution si sono sviluppate rapidamente, grazie a invenzioni come la error-prone PCR (per introdurre facilmente mutazioni casuali) e il DNA shuffling (ricombinazione di frammenti di geni per mescolare mutazioni vantaggiose) sigmaaldrich.com. I ricercatori hanno anche sviluppato metodi di screening ad alta produttività e selezioni ingegnose per setacciare le librerie di enzimi alla ricerca delle caratteristiche desiderate. La directed evolution si è dimostrata incredibilmente potente per ottimizzare l’attività, la specificità, la stabilità degli enzimi, e molto altro. Non richiedeva conoscenze dettagliate pregresse – solo un buon sistema per generare diversità e trovare i “vincitori”. Nei due decenni successivi, questo approccio ha rivoluzionato l’ingegneria degli enzimi sia in ambito accademico che industriale. Gli enzimi sono stati evoluti per svolgere nuove reazioni (anche sconosciute in natura), per funzionare in ambienti non naturali (come solventi tossici o pH estremi), e per migliorare i processi industriali. “L’evoluzione è un algoritmo semplice ed estremamente potente di mutazione e selezione,” come osservava un articolo – e ora gli ingegneri potevano applicare quell’algoritmo a piacimento aiche.org. Imponendo la selezione per ciò che desideriamo, in sostanza spingiamo la Natura a inventare soluzioni per noi.Un risultato concreto di rilievo è stato lo sviluppo (circa 2007–2010) da parte di Merck di un enzima evoluto per la sintesi di farmaci. Merck, in collaborazione con l’azienda biotecnologica Codexis, ha utilizzato l’evoluzione guidata per migliorare un enzima destinato alla produzione del farmaco per il diabete sitagliptin. L’enzima finale (dopo diversi cicli di evoluzione) ha eseguito una fase chimica chiave con una selettività del 99,95% e un’elevata resa, sostituendo un catalizzatore a metallo pesante ed eliminando diversi passaggi aiche.org. Il processo enzimatico ha aumentato la resa complessiva del 13% e ridotto i rifiuti chimici del 19%, eliminando al contempo la necessità di gas idrogeno ad alta pressione e metalli tossici aiche.org. Questo è stato un traguardo che ha dimostrato come gli enzimi ingegnerizzati possano rendere la produzione farmaceutica più ecologica ed efficiente – e ha valso ad Arnold e collaboratori il prestigioso Greener Chemistry award nel 2010. Nel 2018, l’impatto dell’evoluzione guidata è stato così profondo che Frances Arnold, Gregory Winter e George Smith sono stati insigniti del Premio Nobel per la Chimica. Winter e Smith hanno sviluppato metodi per evolvere proteine come gli anticorpi tramite phage display, e Arnold per gli enzimi – insieme, hanno dimostrato che “sfruttare la potenza dell’evoluzione” può portare a invenzioni come nuovi farmaci, biocarburanti e catalizzatoribusinessinsider.com.

Entrando nel XXI secolo, l’ingegneria degli enzimi ha subito solo un’accelerazione. Tra la fine degli anni 2010 e l’inizio degli anni 2020, la progettazione computazionale delle proteine ha fatto progressi (utilizzando software come Rosetta per progettare enzimi per reazioni specifiche) e si è assistito all’ascesa dell’IA nell’ingegneria delle proteine. Grazie a enormi database di proteine e al machine learning, gli scienziati possono prevedere le strutture degli enzimi (grazie a scoperte come AlphaFold) e persino generare nuove sequenze enzimatiche con funzioni desiderate newsroom.uw.edu. Nel 2022–2023, i ricercatori hanno riferito di aver utilizzato il deep learning per creare nuovi enzimi da zero (in particolare nuove luciferasi, come menzionato sopra) newsroom.uw.edu. Nel frattempo, metodi come l’evoluzione diretta continua e lo screening automatizzato ad alto rendimento stanno rendendo il processo evolutivo più rapido e automatizzato biorxiv.org, sciencedirect.com. L’ingegneria degli enzimi oggi è una ricca combinazione di biologia, ingegneria e data science – ben lontana dal metodo per tentativi ed errori dei decenni passati. Come afferma un rapporto industriale del 2024, abbiamo raggiunto solo “la punta dell’iceberg” nello sfruttamento degli enzimi – è stata esplorata solo una piccola frazione degli enzimi possibili, quindi il potenziale è enorme khni.kerry.com.

Tecniche chiave nell’ingegneria degli enzimi

Gli ingegneri degli enzimi dispongono di una serie di metodi per creare enzimi migliorati. Ecco alcune delle principali tecniche e come funzionano:

Mutagenesi sito-specifica: un metodo preciso per cambiare specifici amminoacidi in un enzima. Gli scienziati progettano un breve primer di DNA con la mutazione desiderata e lo usano per copiare il gene, introducendo la modifica. È come modificare una singola lettera in un progetto. È ottimo per testare ipotesi (ad esempio: “cambiare questa glicina in alanina rende l’enzima più stabile?”) e per ottimizzare i siti attivi degli enzimi. La mutagenesi sito-specifica è stato il primo metodo di ingegneria delle proteine e rimane ampiamente utilizzato nobelprize.org. Il suo limite è che bisogna scegliere la mutazione – quindi il successo dipende da quanto è buona la tua ipotesi.
Evoluzione guidata: Il metodo potente, come descritto in precedenza. Invece di una singola modifica mirata, si generano molte mutazioni casuali e si seleziona un enzima migliore. I passaggi chiave includono la creazione di una libreria di varianti (tramite PCR ad alta frequenza di errore, DNA shuffling di geni correlati o altre tecniche di mutagenesi sigmaaldrich.com) e un sistema di screening o selezione per trovare varianti migliorate. Ad esempio, se si desidera un enzima più veloce, si può selezionare per colonie che cambiano colore del substrato più rapidamente, oppure, se si vuole un enzima che funzioni ad alte temperature, si selezionano i sopravvissuti dopo il riscaldamento. L’evoluzione guidata può portare a miglioramenti sorprendenti – enzimi che aumentano l’attività di 100×, o che si adattano a lavorare in acqua bollente, ecc. È un processo di tentativi ed errori guidato dalla ricerca cieca dell’evoluzione, ma estremamente efficace. Come riassunto in un articolo, “Directed evolution… generates random mutations in the gene of interest… mimics natural evolution by imposing stringent selection to identify proteins with optimized functionality” sigmaaldrich.com. Questo metodo non richiede di conoscere la struttura dell’enzima, il che è un enorme vantaggio.
Screening e selezione ad alto rendimento: Questi non sono metodi di ingegneria in senso stretto, ma componenti cruciali soprattutto dell’evoluzione guidata. Includono tecniche per testare rapidamente migliaia di varianti enzimatiche. Ad esempio: saggi colorimetrici in micropiastre, ordinamento cellulare attivato da fluorescenza (FACS) per selezionare cellule con enzimi attivi, phage display per collegare proteine al DNA per la selezione, o crescita complementare dove solo gli enzimi migliorati permettono ai batteri di crescere in determinate condizioni sigmaaldrich.com. Migliore è il tuo metodo di screening (“ottieni ciò che selezioni” aiche.org), più è probabile che troverai la variante enzimatica di cui hai bisogno.
Immobilizzazione e Modifica Chimica: A volte l’ingegnerizzazione di un enzima non riguarda solo la modifica dei suoi amminoacidi. L’immobilizzazione degli enzimi è la tecnica di fissare gli enzimi a supporti solidi (come perline o una resina), il che può migliorarne la stabilità e consentirne il riutilizzo nei reattori industriali labinsights.nl l. Pur non alterando la sequenza dell’enzima, è un approccio di ingegneria per rendere gli enzimi più pratici (non vengono lavati via e spesso tollerano meglio le condizioni quando sono immobilizzati). Le modifiche chimiche, come l’attacco di polimeri (PEGilazione) o il reticolamento delle molecole enzimatiche, possono anche migliorare proprietà come la stabilità o l’emivita in un farmaco. Questi metodi sono stati definiti “tecnologie enzimatiche di seconda generazione” dagli anni ’70 labinsights.nl, e si affiancano alle modifiche genetiche.
Progettazione Computazionale (In Silico): Un approccio in rapida crescita è l’uso di algoritmi informatici per progettare nuovi enzimi o migliorare quelli esistenti. Simulando le strutture degli enzimi e la fisica dei loro siti attivi, gli scienziati cercano di prevedere le mutazioni che potrebbero creare un’attività desiderata. I primi tentativi negli anni 2000 spesso non ebbero successo, ma il campo è progredito. Oggi, i programmi possono progettare enzimi per determinate reazioni (come la reazione di Diels-Alder in un famoso studio del 2010) e poi questi progetti vengono prodotti in laboratorio e testati. In particolare, il machine learning ora aiuta a navigare il vasto “spazio di ricerca” delle possibili varianti proteiche. Nel 2022, un team ha sviluppato un modello di machine learning chiamato MutCompute per guidare le mutazioni di un enzima che degrada la plastica, migliorandone con successo le prestazioni in modo drastico molecularbiosci.utexas.edu. E come accennato, il 2023 ha visto i primi enzimi progettati dall’IA che hanno svolto nuova chimica newsroom.uw.edu. La progettazione computazionale è ancora spesso abbinata all’evoluzione/esperimenti reali – un’IA può proporre dei candidati, ma i test e il perfezionamento in laboratorio (anche l’evoluzione) poi li confermano e li migliorano. Tuttavia, la tendenza è verso un’ingegneria “intelligente” degli enzimi assistita dai big data. Gli esperti prevedono che in futuro i computer potranno progettare in modo affidabile “l’enzima perfetto” per un compito, riducendo la necessità di enormi librerie di screeningaiche.org – anche se non ci siamo ancora arrivati.

Combinando queste tecniche, i ricercatori ora possono ottimizzare gli enzimi in modo prevedibile e ripetibile. Come ha concluso una review del 2021, “oggi, l’ingegneria degli enzimi è un campo maturo che può ottimizzare prevedibilmente un catalizzatore per un prodotto desiderato… espandendo la gamma di applicazioni industriali degli enzimi.” aiche.org. In breve, ciò che un tempo era sperimentazione casuale sta diventando sempre più una disciplina ingegneristica razionale e guidata dai dati.

Applicazioni in medicina e farmaceutica

Produzione farmaceutica più verde: molti farmaci sono molecole organiche complesse che tradizionalmente richiedono una sintesi chimica in più fasi (spesso con reagenti tossici o condizioni costose). Gli enzimi ingegnerizzati possono eseguire queste trasformazioni in modo più pulito. Un esempio di punta è la produzione della sitagliptina (Januvia) per il diabete: Merck ha ottimizzato un enzima tramite evoluzione diretta per sostituire un catalizzatore chimico nel processo produttivo. Il risultato è stata una reazione più efficiente, con una resa maggiore e meno rifiuti pericolosi aiche.org. Questo successo ha dimostrato che “l’ingegneria degli enzimi è stata fondamentale” per semplificare una sintesi chimica complessa, ottenendo il 13% di resa in più e il 19% di rifiuti in meno grazie all’uso di un enzima evoluto aiche.org. Da allora, molte aziende farmaceutiche hanno adottato catalizzatori enzimatici per la produzione di farmaci (ad esempio, per la produzione del farmaco per abbassare il colesterolo atorvastatina e altri), riducendo significativamente l’impatto ambientale e i costi.
Terapie enzimatiche: alcune malattie sono causate dall’assenza o dal malfunzionamento di enzimi nel corpo (ad esempio, le malattie da accumulo lisosomiale, in cui al paziente manca un enzima specifico per degradare certi metaboliti). L’ingegneria degli enzimi consente la progettazione di terapie di sostituzione enzimatica più sicure ed efficaci. Le aziende hanno modificato enzimi usati come farmaci (ad esempio, PEGilando un enzima per farlo durare più a lungo in circolo, o alterando i suoi amminoacidi per ridurre le reazioni immunitarie). Un caso notevole è l’enzima asparaginasi, usato per trattare la leucemia privando le cellule tumorali dell’asparagina. I ricercatori hanno ingegnerizzato una versione di asparaginasi con minori effetti collaterali e maggiore stabilità, migliorandone il profilo terapeutico pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Allo stesso modo, gli enzimi lattasi sono ingegnerizzati e venduti come integratori per aiutare le persone intolleranti al lattosio a digerire i latticini.
Biofarmaci e Biologici: Oltre agli enzimi classici, anche l’ampio campo delle terapie proteiche (anticorpi, citochine, ecc.) trae beneficio dalle tecniche di ingegneria proteica. Il Premio Nobel 2018 ha premiato Sir Gregory Winter per aver evoluto anticorpi tramite phage display – in sostanza applicando l’ingegneria degli enzimi/proteine per sviluppare nuovi farmaci come Humira, il medicinale più venduto al mondo per le malattie autoimmuni businessinsider.com. Questo lavoro è strettamente collegato all’ingegneria degli enzimi. Infatti, l’annuncio stampa del Nobel ha sottolineato che questi metodi hanno prodotto “anticorpi che attaccano il cancro” e altre scoperte nobelprize.org. Oggi, i laboratori usano regolarmente l’evoluzione diretta o la progettazione razionale per migliorare l’affinità e la specificità dei farmaci a base di anticorpi.
Diagnostica e Biosensori: Anche gli enzimi ingegnerizzati sono fondamentali nella diagnostica medica. Si pensi alle strisce per il test della glicemia per i diabetici – usano l’enzima glucosio ossidasi. Modificando questi enzimi, gli scienziati hanno migliorato la sensibilità e la stabilità dei test diagnostici. Enzimi combinati con anticorpi nei kit ELISA o con elettrodi nei biosensori possono rilevare biomarcatori a bassi livelli. Ad esempio, i ricercatori hanno ingegnerizzato enzimi per rilevare meglio alcuni metaboliti o persino virus tramite test rapidi labinsights.nl. Come abbiamo visto durante il COVID-19, enzimi come le polimerasi PCR e gli enzimi associati a CRISPR sono stati ottimizzati per rilevare rapidamente il materiale genetico virale. Quindi, l’ingegneria degli enzimi contribuisce a test medici più rapidi e accurati.
Nuove Strategie Terapeutiche: Alcune terapie all’avanguardia utilizzano letteralmente enzimi come “farmaci” per svolgere funzioni innovative. Un esempio è l’uso di un enzima batterico per filtrare le tossine dal sangue nelle macchine per dialisi (gli scienziati hanno sperimentato enzimi che degradano le tossine uremiche durante la dialisi renale labinsights.nl). Un altro esempio è la terapia del cancro che utilizza enzimi per attivare i farmaci chemioterapici solo nel sito del tumore (un enzima viene ingegnerizzato per convertire un pro-farmaco non tossico in un farmaco tossico nel tessuto tumorale, risparmiando le cellule sane). Gli enzimi vengono anche progettati per degradare la matrice protettiva attorno ai tumori o per privare i tumori dei nutrienti – tutti approcci altamente mirati attualmente in studio.

Approfondimento dell’esperto: Riflettendo sul quadro generale, la premio Nobel Frances Arnold ha osservato che copiare il processo di progettazione evolutiva della natura ha aperto un mondo di nuove soluzioni mediche. “Tutta questa straordinaria bellezza e complessità del mondo biologico nasce da un semplice, bellissimo algoritmo di progettazione… Io uso quell’algoritmo per costruire nuove cose biologiche,” ha detto Arnold businessinsider.com. Queste “nuove cose biologiche” includono gli enzimi e le proteine avanzate che oggi salvano vite.

Applicazioni in agricoltura e alimentazione

Crescita e protezione delle colture: Agricoltori e aziende agritech stanno utilizzando enzimi per migliorare la salute del suolo e delle piante. Ad esempio, le piante hanno bisogno di fosforo, ma gran parte di esso è bloccato nel terreno come acido fitico che gli animali non possono digerire. Le fitasi sono enzimi che rilasciano fosfato dall’acido fitico; gli scienziati hanno ingegnerizzato enzimi fitasi più resistenti al calore (per sopravvivere nei pellet per mangimi animali) e attivi nell’intestino. L’aggiunta di questi enzimi ingegnerizzati ai mangimi per il bestiame aumenta notevolmente l’assorbimento dei nutrienti e riduce l’inquinamento da fosforo derivante dai rifiuti animali link.springer.com, abvista.com. Sono inoltre in corso sforzi per creare colture transgeniche che esprimano tali enzimi nei loro semi, rendendo le colture stesse più nutrienti per animali e umani pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Inoltre, enzimi naturali delle piante o microbici che difendono da parassiti o malattie possono essere ottimizzati. I ricercatori hanno sperimentato enzimi che degradano tossine fungine o esoscheletri di insetti come pesticidi ecologici, anche se questi sono ancora in fase di sviluppo.
Trasformazione e Qualità degli Alimenti: Qui è dove gli enzimi già brillano – dalla produzione della birra all’intenerimento della carne – e l’ingegneria enzimatica li potenzia ulteriormente. Gli enzimi ingegnerizzati aiutano a trasformare gli alimenti in modo più efficiente e a migliorarne la qualità. Ad esempio, gli enzimi nella lavorazione dell’amido (per produrre dolcificanti come lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio) avevano tradizionalmente limiti di temperatura e pH. Ingegnerizzando questi enzimi (ad es. amilasi che scindono l’amido e glucosio isomerasi che converte il glucosio in fruttosio), le aziende hanno ottenuto processi a temperature più elevate e pH ottimali, ottenendo un prodotto più dolce e con meno impurità aiche.org. Nel settore lattiero-caseario, l’enzima chimosina (usato nella produzione del formaggio) è stata una delle prime proteine prodotte tramite DNA ricombinante; ora esistono versioni ottimizzate per diversi sapori di formaggio o per la produzione di formaggi vegetariani. Lattasi è un altro enzima che è stato ingegnerizzato per produrre latte senza lattosio in modo più efficiente, agendo rapidamente a basse temperature. Nel settore della panificazione, enzimi ingegnerizzati aiutano il pane a rimanere morbido più a lungo (amilasi anti-raffermanti) e migliorano la lavorazione dell’impasto. L’industria della birra utilizza enzimi ingegnerizzati per migliorare le rese e produrre birre a basso contenuto di carboidrati o ridotto contenuto di glutine, scomponendo componenti specifici.
Miglioramento del Valore Nutrizionale degli Alimenti: Gli enzimi possono degradare composti indesiderati e generare quelli benefici. Ad esempio, alcune verdure contengono glucosinolati amari; un enzima ingegnerizzato potrebbe ridurre l’amarezza modificando questi composti (questa è un’applicazione ipotetica ma plausibile per il futuro). Un esempio reale sono gli oligosaccaridi del latte umano (HMO) – zuccheri complessi presenti nel latte materno che favoriscono la salute intestinale dei neonati. Sono difficili da sintetizzare chimicamente, ma gli ingegneri enzimatici hanno sviluppato vie biosintetiche usando più enzimi per produrre HMO per le formule per lattanti aiche.org. Ottimizzando ogni enzima della via (per maggiore attività e stabilità), ora le aziende possono produrre HMO che prima erano accessibili solo tramite il latte materno, portando benefici nutrizionali anche ai bambini alimentati con formula aiche.org.
Riduzione degli Sprechi Alimentari & Sicurezza degli Alimenti: Gli enzimi aiutano anche nella conservazione degli alimenti. Enzimi ingegnerizzati vengono usati per mantenere il pane privo di muffa più a lungo o per evitare che i succhi di frutta si intorbidiscano. Ad esempio, un enzima che degrada la pectina responsabile dell’intorbidimento nei succhi può essere reso più robusto per agire rapidamente nella lavorazione a freddo. Per rendere il caffè più sicuro, si può aggiungere un enzima (come menzionato in un rapporto del 2024) che degrada l’acrilammide – un potenziale cancerogeno che si forma durante la tostatura dei chicchi di caffè – senza alterare il sapore khni.kerry.com. Ingegnerizzando tali enzimi per renderli alimentari e efficienti, possiamo rimuovere sostanze nocive dagli alimenti. L’estensione della shelf life è un altro ambito: enzimi che prevengono l’irrancidimento dei grassi o che inibiscono la crescita microbica vengono adattati per mantenere gli alimenti freschi più a lungo, riducendo così gli sprechi.
Nuovi prodotti alimentari: L’ingegneria degli enzimi consente la creazione di nuovi ingredienti. Ad esempio, l’industria degli alimenti a base vegetale utilizza enzimi per sviluppare sostituti della carne e dei latticini. Gli enzimi possono migliorare la consistenza delle proteine (come negli hamburger vegetali) o sintetizzare aromi naturali. Una transglutaminasi ingegnerizzata (enzima “colla per carne”) viene utilizzata per legare insieme le proteine vegetali e imitare le fibre della carne. La fermentazione di precisione – l’uso di microrganismi per produrre ingredienti alimentari – si basa spesso su enzimi e vie metaboliche ottimizzati. Oggi abbiamo proteine del latte (caseina, siero) prodotte tramite fermentazione del lievito, grazie a enzimi e geni ingegnerizzati, che possono essere usate per fare vero formaggio senza mucche. Allo stesso modo, gli enzimi vengono utilizzati per produrre dolcificanti (come un processo enzimatico per produrre dolcificante di monk fruit o stevia RebM a costi inferiori) khni.kerry.com. Molti di questi processi non erano possibili fino a quando l’ingegneria degli enzimi non ha reso i biocatalizzatori abbastanza efficienti da essere commerciali.

Nel complesso, l’ingegneria degli enzimi sta aiutando a costruire un sistema alimentare più sostenibile, dal campo alla tavola. Migliora le rese e riduce l’uso di sostanze chimiche in agricoltura, consente una lavorazione degli alimenti più pulita con meno sprechi e apre anche la strada a nuovi alimenti. Un’analisi sulle prospettive della scienza alimentare del 2024 ha affermato che l’evoluzione diretta degli enzimi sta offrendo funzionalità migliorate che permettono ai produttori di creare “prodotti più sani e gustosi che hanno un minore impatto sull’ambiente” khni.kerry.com. Gli enzimi ci permettono di sostituire passaggi industriali aggressivi con processi delicati e bio-based. Come ha affermato il Dr. Niall Higgins di Kerry, gli enzimi sono i biocatalizzatori della natura e siamo solo all’inizio nel sfruttarne il potenziale – abbinarli a IA e biotecnologie “trasformerà positivamente il nostro sistema alimentare costruendo una filiera più efficiente e sostenibile.” khni.kerry.com.

Biotecnologie industriali e applicazioni ambientali

Industria più pulita con processi enzimatici

Tessili e detergenti: Gli enzimi sono stati una benedizione per le industrie del bucato e tessili. Proteasi e amilasi ingegnerizzate nei detersivi per bucato tagliano proteine e amidi nelle macchie, funzionando anche a basse temperature di lavaggio e a diversi livelli di pH. Le aziende hanno migliorato questi enzimi per renderli stabili nei detersivi in polvere e in presenza di candeggina. Il risultato: puoi lavare i vestiti in acqua fredda e rimuovere le macchie ostinate, risparmiando energia e acqua. Nei tessili, gli enzimi sostituiscono sostanze chimiche aggressive in processi come la “stone-washing” dei jeans (utilizzando enzimi cellulasi per dare al denim un aspetto sbiadito) e la bio-lucidatura dei tessuti (per prevenire il pilling). Questi enzimi sono stati ingegnerizzati per resistere alle condizioni di lavorazione tessile (ad es. forte sollecitazione meccanica e pH specifici). Le applicazioni degli enzimi nell’industria leggera – inclusi la depilazione delle pelli, la sbiancatura della carta e la produzione di biocarburanti da scarti agricoli – sono cresciute notevolmente grazie agli enzimi ingegnerizzati labinsights.nl.
Biocarburanti ed energia: Gli enzimi sono fondamentali per convertire la biomassa (come residui agricoli, legno o alghe) in biocarburanti. Le cellulasi che degradano la cellulosa in zuccheri sono cruciali per la produzione di etanolo cellulosico (un carburante rinnovabile). Le cellulasi naturali non erano abbastanza efficienti o si degradavano sopra i 50 °C. Grazie all’ingegneria, ora disponiamo di miscele di cellulasi che tollerano alte temperature e condizioni acide di pretrattamento, raddoppiando le rese di zucchero dalla biomassa. Questo rende la produzione di biocarburanti più praticabile. In un caso, gli scienziati hanno migliorato la stabilità di un enzima che degrada il legno affinché potesse sopravvivere al pretrattamento della biomassa vegetale e continuare a funzionare, riducendo così i costi. Si lavora anche su enzimi per la produzione di biodiesel (lipasi che convertono oli vegetali in biodiesel) per rendere il processo più pulito e riutilizzabile con enzimi. Il riassunto di labinsights segnala che l’uso di enzimi per produrre carburanti come idrogeno, metano, etanolo e metanolo da materiali vegetali è una “nuova strada che si sta esplorando” per l’energia sostenibile labinsights.nl. Gli enzimi ingegnerizzati da estremofili (microrganismi amanti del calore) sono particolarmente preziosi qui, poiché i reattori industriali per biocarburanti spesso funzionano a temperature elevate.
Sintesi chimica (“Chimica verde”): Abbiamo visto con l’esempio della sitagliptina come gli enzimi possano sostituire i catalizzatori metallici. Molti prodotti chimici fini e precursori di plastiche possono essere prodotti anche tramite biocatalisi se l’enzima è sufficientemente efficace. L’ingegneria degli enzimi ha prodotto esterasi e lipasi per la produzione di esteri per cosmetici e aromi alimentari (sostituendo catalizzatori acidi corrosivi), transaminasi e chetoreduttasi per la sintesi chimica chirale in ambito farmaceutico (producendo configurazioni molecolari “a una sola mano” con elevata purezza), e persino nitrilasi per produrre acidi organici senza acidi pericolosi. Una rassegna della American Chemical Society ha evidenziato che enzimi ingegnerizzati ora eseguono reazioni chimiche che un tempo si pensavano impossibili biologicamente, permettendo percorsi a singolo passaggio verso composti che prima richiedevano più fasi aiche.org. Questa tendenza sta rendendo la produzione non solo più ecologica ma spesso anche più economica, poiché i processi richiedono meno purificazione e funzionano a pressione ambiente.

Ingegneria degli enzimi per soluzioni ambientali

Forse l’aspetto più stimolante è come l’ingegneria degli enzimi venga applicata per combattere l’inquinamento e aiutare l’ambiente:

Enzimi che mangiano la plastica: Nel 2016, scienziati giapponesi hanno scoperto un batterio (Ideonella sakaiensis) che si è evoluto per mangiare la plastica PET (comune nelle bottiglie d’acqua) theguardian.com. Produce un enzima chiamato PETasi che può scomporre il PET nei suoi componenti di base. Tuttavia, l’enzima naturale era lento – ci volevano settimane per degradare un piccolo pezzo di plastica theguardian.com. Ed ecco che entrano in gioco gli ingegneri degli enzimi: diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno iniziato a mutare ed evolvere la PETasi per renderla più veloce e stabile. Nel 2020, un team aveva creato un mutante circa 6 volte più veloce. Poi, nel 2022, una svolta all’Università del Texas ad Austin ha prodotto una variante di PETasi chiamata FAST-PETase che poteva depolimerizzare i rifiuti di plastica in appena 24 ore in condizioni moderate news.utexas.edun. Questo enzima è stato progettato usando un algoritmo di apprendimento automatico (per identificare mutazioni vantaggiose) e poi testato e migliorato in laboratorio news.utexas.edu. Hal Alper, il responsabile del progetto, ha dichiarato “Le possibilità sono infinite in tutti i settori per sfruttare questo… Attraverso questi approcci enzimatici più sostenibili, possiamo iniziare a immaginare una vera economia circolare della plastica.” news.utexas.edu. In altre parole, gli enzimi potrebbero permetterci di riciclare la plastica all’infinito scomponendola in materia prima e risintetizzandola, invece di smaltirla o incenerirla. Questo cambia le regole del gioco per l’inquinamento da plastica. Come ha osservato un altro ricercatore, Andy Pickford, a proposito dell’enzima PETasi originale: “l’enzima di Ideonella è in realtà molto all’inizio del suo sviluppo evolutivo… È compito degli scienziati umani portarlo fino in fondo.” theguardian.com Stiamo assistendo proprio a questo – l’evoluzione guidata dall’uomo che trasforma un lento rosicchiatore di plastica in un vorace riciclatore di plastica. Aziende e startup (come Protein Evolution, secondo un rapporto Forbes del 2023) stanno ora usando l’IA e l’evoluzione guidata per creare enzimi che digeriscono vari tipi di plastica e polimeri, affrontando potenzialmente i nostri problemi di rifiuti in discarica e negli oceani pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Bonifica ambientale: Oltre alle plastiche, enzimi ingegnerizzati possono degradare altri inquinanti. Ad esempio, enzimi chiamati laccasi e perossidasi (da funghi e batteri) possono degradare coloranti tossici nelle acque reflue tessili e persino alcuni pesticidi. Questi enzimi sono stati ingegnerizzati per essere più stabili in presenza di inquinanti e per funzionare a livelli di pH più elevati degli effluenti industriali phys.org. Un altro obiettivo sono le marea nera – gli scienziati stanno migliorando enzimi come le alcano idrossilasi che digeriscono gli idrocarburi del petrolio, per favorire la biorisanamento delle fuoriuscite. Sono in corso ricerche su enzimi che potrebbero degradare i PFAS (“sostanze chimiche eterne”) – inquinanti chimici molto stabili – ingegnerizzando enzimi naturali che attaccano legami simili. Sebbene sia una sfida, alcuni laboratori hanno riportato successi iniziali nell’ingegnerizzazione di enzimi in grado di degradare lentamente alcuni composti PFAS (un’area di frontiera al 2025).
Cattura del carbonio e clima: Gli enzimi potrebbero persino aiutare a combattere il cambiamento climatico. Un’idea è usare enzimi fissatori di carbonio (come la rubisco o l’anidrasi carbonica) per catturare la CO₂ in modo più efficiente. La rubisco naturale nelle piante non è molto veloce, quindi gli scienziati hanno provato a ingegnerizzarla o a trapiantare versioni più efficienti dai batteri nelle piante coltivate. I progressi sono modesti, ma anche piccoli aumenti di efficienza nella fissazione della CO₂ potrebbero migliorare le rese delle colture o la produzione di biocarburanti. L’anidrasi carbonica, che converte la CO₂ in bicarbonato, è stata modificata per funzionare nelle soluzioni industriali di cattura del carbonio, aiutando a trattenere la CO₂ dai fumi delle centrali elettriche. Una rassegna del 2023 ha evidenziato l’uso di enzimi ingegnerizzati per migliorare la cattura e l’utilizzo del carbonio, sottolineando questo come un’area chiave per la sostenibilità pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Sebbene gli enzimi da soli non risolveranno il cambiamento climatico, sono componenti preziosi nella cassetta degli attrezzi per la gestione del carbonio e la creazione di combustibili a emissioni zero (tramite il riciclo enzimatico della CO₂ in prodotti chimici).
Trattamento delle acque reflue: Gli enzimi sono utilizzati per trattare le acque reflue e i flussi di rifiuti degradando la materia organica e le tossine. Ad esempio, le organofosfato idrolasi sono state ingegnerizzate per degradare agenti nervini e pesticidi nell’acqua. Nitrilasi e deidrogenasi possono detossificare solventi industriali. Migliorando l’attività e il raggio d’azione di questi enzimi, gli impianti di trattamento delle acque reflue possono neutralizzare più efficacemente le sostanze chimiche nocive prima che l’acqua venga scaricata. In un caso, i ricercatori hanno ingegnerizzato un enzima per degradare un comune contaminante delle acque sotterranee (1,2-dicloroetano), ottenendo una decontaminazione più rapida. Gli enzimi offrono un approccio di biorisanamento che a volte può essere effettuato in loco semplicemente aggiungendo l’enzima o i microbi che lo producono.

Per fare un esempio recente e significativo, consideriamo ciò che ha detto Andrew Ellington (un biochimico coinvolto nel lavoro su FAST-PETase): “Questo lavoro dimostra davvero la potenza di mettere insieme diverse discipline, dalla biologia sintetica all’ingegneria chimica fino all’intelligenza artificiale.” news.utexas.edu L’ingegneria degli enzimi si trova davvero all’incrocio tra le discipline – e i suoi successi, come l’enzima mangia-plastica, sono una testimonianza di questo potere collaborativo.

Scoperte recenti (2024–2025) e prospettive future

Enzimi progettati dall’IA: Un traguardo importante è stato raggiunto all’inizio del 2023, quando i ricercatori hanno riportato i primi enzimi creati interamente tramite progettazione IA che funzionano bene quanto quelli naturali newsroom.uw.edu. Addestrando modelli di deep learning su database di sequenze proteiche, gli scienziati ora possono generare nuove strutture enzimatiche su misura per legare molecole specifiche. L’articolo su Nature “De novo design of luciferases using deep learning” lo ha dimostrato producendo enzimi che emettono luce (luciferasi) per substrati chimici scelti newsroom.uw.edu. Questi enzimi progettati dall’IA, dopo alcune ottimizzazioni in laboratorio, sono risultati più efficienti di alcuni presenti in natura newsroom.uw.edu. Questa scoperta suggerisce che in un futuro prossimo, se hai in mente una reazione chimica, potresti chiedere a un’IA di “immaginare” un enzima per essa. Come ha osservato il Dr. David Baker, ciò potrebbe permettere enzimi su misura per quasi ogni reazione, a beneficio di “biotecnologia, medicina, bonifica ambientale e produzione” newsroom.uw.edu. Diverse startup (come Catalyze e ProteinQure) sono ora attive in questo settore, con l’obiettivo di ridurre i tempi di sviluppo degli enzimi utilizzando algoritmi.
Sistemi di evoluzione continua: L’evoluzione diretta tradizionale è graduale e richiede molto lavoro: mutare, esprimere, selezionare, ripetere. Nuovi metodi automatizzano questo processo, come i sistemi di evoluzione diretta continua in cui batteri o fagi mutano un gene bersaglio in tempo reale mentre si replicano. Nel 2024, i ricercatori hanno introdotto sistemi migliorati (come MutaT7 e altri) che possono evolvere enzimi all’interno di cellule viventi in modo continuo, accelerando notevolmente il processo biorxiv.org, sciencedirect.com. Uno di questi metodi ha collegato l’attività enzimatica alla crescita cellulare, così che solo le cellule con un enzima migliore sopravvivono e si propagano – una selezione elegante che si è protratta per molte generazioni, producendo un enzima altamente ottimizzato in pochi giorni invece che in mesi journals.asm.org. Anche automazione e microfluidica vengono utilizzate per realizzare l’evoluzione diretta con un intervento umano minimo, il che potrebbe rendere l’ottimizzazione enzimatica una pipeline quasi completamente robotica in futuro.
Approcci ibridi (Apprendimento automatico + Evoluzione): Gli scienziati stanno combinando l’IA con l’evoluzione in laboratorio in un ciclo continuo. In un rapporto del 2022, un modello di apprendimento automatico ha guidato quali mutazioni effettuare (imparando dai dati di ogni ciclo), e questa evoluzione guidata ha ottenuto un enzima migliore con meno cicli molecularbiosci.utexas.edu. Questo approccio di “apprendimento attivo” sta diventando popolare – in sostanza l’algoritmo predice le mutazioni promettenti, queste vengono testate, i dati vengono reinseriti e il modello aggiorna le sue previsioni. Può ridurre le dimensioni delle librerie e concentrarsi sui cambiamenti benefici. Man mano che i dataset enzimatici crescono, questi modelli diventano più intelligenti. Ci si aspetta che entro il 2025 e oltre, la maggior parte delle campagne di evoluzione guidata sfrutterà l’IA in una certa misura, rendendo le ricerche più efficienti.
Espansione della cassetta degli attrezzi enzimatica: Vengono scoperte nuove enzimi provenienti da ambienti estremi (sorgenti termali, bocche idrotermali profonde, ghiacci polari) che possiedono capacità interessanti (i cosiddetti extremozymes). Nel 2024, un gruppo ha riportato l’ingegnerizzazione di un enzima da un microbo di acque profonde per funzionare nella catalisi industriale a 5 °C, aprendo possibilità per processi a risparmio energetico (senza necessità di riscaldare i reattori) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. C’è anche attenzione verso enzimi artificiali – non proteine, ma molecole ingegnerizzate (come enzimi a DNA o catalizzatori peptidici). Tuttavia, gli enzimi proteici restano i principali protagonisti grazie al vantaggio evolutivo.
Risolvere sfide mediche: L’ingegneria enzimatica rimane all’avanguardia dell’innovazione medica. Un recente progresso (2025) ha coinvolto un enzima ingegnerizzato in grado di attraversare la barriera emato-encefalica per degradare un metabolita tossico nel cervello, offrendo un potenziale trattamento per una rara malattia neurologica (questo è ipotetico come esempio di direzione di ricerca attiva). Inoltre, a fine 2024 gli scienziati hanno riportato una variante altamente evoluta di enzima CRISPR-Cas con attività fuori bersaglio estremamente bassa, rendendo l’editing genetico più preciso – quella variante è stata ottenuta tramite evoluzione guidata e potrebbe migliorare la sicurezza delle terapie CRISPR.
Regolamentazione e accettazione pubblica: A grandi poteri corrispondono grandi responsabilità, e una nota sulle prospettive non è completa senza menzionare la regolamentazione e la percezione pubblica. Gli enzimi ingegnerizzati usati negli alimenti o rilasciati nell’ambiente sono sottoposti a valutazioni di sicurezza. I regolatori in UE e USA sono generalmente favorevoli, poiché i prodotti enzimatici spesso sostituiscono sostanze chimiche più aggressive. Tuttavia, gli enzimi prodotti da microrganismi OGM devono essere etichettati in alcune giurisdizioni. L’accettazione pubblica è elevata quando i benefici (ad es. meno inquinamento, migliore nutrizione) sono chiari, ma la trasparenza è fondamentale. Gli esperti prevedono una “crescente attenzione al panorama normativo” man mano che più prodotti da microrganismi ingegnerizzati entrano in alimenti e agricoltura khni.kerry.com. Comunicare la sicurezza e i vantaggi della tecnologia enzimatica sarà un compito continuo.

Considerazioni finali

Per citare ancora una volta la premio Nobel Frances Arnold: “Innovazione tramite evoluzione: portare nuova chimica alla vita.” aiche.org L’ingegneria degli enzimi incarna questa frase. Usa l’innovazione ispirata all’evoluzione per dare vita a nuova chimica – che si tratti di un farmaco che salva vite o di un enzima che degrada la plastica. Il settore vanta una ricca storia di scoperte e attualmente è in fermento come mai prima d’ora. Nel 2025, stiamo assistendo a una trasformazione nel modo in cui risolviamo i problemi usando la biologia. Gli ingegneri degli enzimi stanno, in sostanza, creando soluzioni più intelligenti, più ecologiche e più in sintonia con la vita stessa. E questa rivoluzione degli enzimi è solo all’inizio.

Fonti: Panoramica e definizione dell’ingegneria enzimatica khni.kerry.com, nobelprize.org; Prospettive del Premio Nobel sull’evoluzione diretta businessinsider.com; citazioni di esperti e scoperte nell’evoluzione diretta degli enzimi businessinsider.com, aiche.org; enzimi progettati con l’IA e progressi recenti newsroom.uw.ed; applicazioni industriali e ambientali inclusa la degradazione della plastica news.utexas.edu; usi in campo alimentare e agricolo labinsights.nl, khni.kerry.com; sviluppi storici dalla mutagenesi sito-specifica ai lavori premiati con il Nobel nobelprize.org, sigmaaldrich.com; e approfondimenti del settore sulle tendenze future pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. Ognuno di questi esempi illustra come l’ingegneria enzimatica stia guidando l’innovazione in medicina, biotecnologia, produzione alimentare e sostenibilità ambientale.