Oggetto del presente progetto è la realizzazione di uno studio sperimentale finalizzato al recupero di composti bioattivi ad alto valore aggiunto da microalghe attraverso pretrattamenti enzimatici innovativi. In particolare, si intendono realizzare miscele enzimatiche in grado di degradare la parete cellulare delle microalghe utilizzando preparati enzimatici commerciali di costo contenuto. Le miscele saranno preparate avvalendosi della metodologia del "mixture design" per massimizzarne l'attività degradativa nei confronti delle specie microalgali studiate. Queste ultime comprenderanno, tra le altre, la Nannochloropsis oceanica ed il Porphyridium cruentum, due specie di interesse strategico, sia in ambito nazionale che internazionale, per lo sviluppo di bioraffinerie con microalghe. Un primo aspetto su cui verterà il progetto sarà l'individuazione dei preparati più idonei alla formulazione dei cocktail enzimatici e lo studio dell'effetto di queste miscele sul recupero di lipidi, pigmenti e proteine. Con riferimento alle miscele dotate di maggiore attività, si valuterà anche l'eventuale comparsa di effetti sinergici o antagonisti derivanti dalla presenza simultanea di più enzimi nel mezzo pretrattante. Per evidenziare e quantificare gli effetti di degradazione della parete cellulare da parte degli enzimi, le microalghe tal quali e dopo trattamento enzimatico saranno caratterizzate attraverso diverse tecniche analitiche e strumentali (TGA/DTA, FTIR, diffrattometria ai raggi X, SEM e TEM). Al termine del progetto si disporrà delle informazioni necessarie a definire le condizioni operative ottimali del pretrattamento e di sistemi enzimatici specificamente sviluppati per il recupero dei composti bioattivi dalle microalghe esaminate. Lo studio potrà anche condurre ad un avanzamento delle conoscenze sull'effetto di sistemi multienzimatici sulle proprietà della parete cellulare delle microalghe e sulle differenze rispetto a quelle degli organismi vegetali.
Lo studio degli effetti di enzimi degradativi, quali cellulasi, proteasi, xilanasi e mannanasi, sulla parete cellulare delle microalghe è stato oggetto di limitata attenzione da parte della comunità scientifica. Ciò è motivato dalla complessità della struttura ed organizzazione delle pareti microalgali e dal fatto che soltanto negli ultimi anni si è manifestata l'esigenza di disporre di nuovi pretrattamenti, quali i processi enzimatici, per superare alcune limitazioni relative all'utilizzo di microalghe come fonti di prodotti ad elevato valore aggiunto. In quest'ottica, i risultati conseguiti nel presente progetto potrebbero fornire utili indicazioni di carattere quantitativo sui vantaggi derivanti dall'utilizzo di enzimi rispetto ai pretrattamenti tradizionali basati sulla rottura meccanica delle cellule microalgali o sull'impiego di composti chimici. Dal punto di vista conoscitivo, lo studio che si intende realizzare potrà condurre ad un avanzamento delle conoscenze sull'effetto di sistemi multienzimatici sulle proprietà della parete cellulare. Ad oggi, si dispone di scarsissime informazioni sulla possibilità di preparare miscele multienzimatiche di composizione e con attività degradativa ottimali nei confronti di una particolare specie microalgale. Alcuni lavori condotti negli anni passati su cellule vegetali sembrano avvalorare la possibilità di realizzare cocktail enzimatici specifici per la degradazione delle pareti cellulari. Tuttavia, è anche noto che le pareti microalgali presentano notevoli differenze, sia in termini di composizione che di organizzazione strutturale, rispetto a quelle delle cellule vegetali. Di conseguenza, i risultati del presente progetto potrebbero fornire ulteriori elementi conoscitivi per la comprensione delle differenze e similitudini tra le pareti cellulari di microalghe e organismi vegetali. Un esame dello stato dell'arte sui sistemi multienzimatici mostra che in presenza di più enzimi possono manifestarsi effetti di interazione, sia di tipo positivo (sinergia) che negativo (antagonismo). I primi sono interpretabili alla luce dell'organizzazione strutturale e dell'architettura delle pareti cellulari che, in prima approssimazione, possono essere descritte come un reticolo di fibre di cellulosa, legate trasversalmente da molecole di emicellulosa, immerso in una matrice amorfa formata da pectina, alginati, proteine ed altri componenti minori. La rottura dei legami trasversali e/o la degradazione della matrice amorfa, ad opera dei rispettivi enzimi, può condurre ad un collasso della struttura cellulosica portante, cioè ad una degradazione superiore a quella derivante dall'impiego dei singoli enzimi. D'altra parte, per poter esplicare la loro attività degradativa, gli enzimi devono interagire, cioè entrare in contatto con i rispettivi substrati. Poiché gli enzimi sono macromolecole, il loro adsorbimento potrebbe schermare i siti di attacco di un'altra classe di enzimi, dando luogo ad effetti di interazione negativi. Il progetto di ricerca proposto consentirà di valutare, in maniera quantitativa, gli effetti sinergici o antagonisti relativi ai sistemi enzimatici studiati, grazie all'utilizzo di disegni e metodologie sperimentali (CCD e RSM) specificamente rivolti alla determinazione delle interazioni tra i parametri considerati. Anche in questo ambito, i risultati ottenuti potranno condurre ad un avanzamento delle conoscenze, in un settore tuttora poco esplorato ma di grande interesse strategico e applicativo.