Uno studio rivoluzionario condotto dai ricercatori del Laboratory of Sustainable Food Processing, ETH Zurich (Proietti Tocca et al., 2025) ha rivelato la notevole capacità fotoformatotrofica della microalga estremofila Galdieria sulphuraria SAG 108.79, segnando il primo caso documentato di una specie microalgale di tipo selvatico in grado di utilizzare efficacemente l’acido formico come fonte di carbonio.
Lo studio evidenzia la conversione completa di acidi organici in biomassa proteica, con rese elevate (89-100%) e un peculiare profilo nutrizionale. L’identificazione di enzimi nativi di formiato deidrogenasi in Galdieria sulphuraria apre nuove prospettive per la biotecnologia sostenibile e per lo sviluppo della bioeconomia del formiato.
Introduzione
L’urgente necessità di tecnologie per la produzione sostenibile di proteine si è intensificata poiché le emissioni globali di carbonio hanno raggiunto 35,8 Gt CO₂ nel 2023, mentre i sistemi agroalimentari sono stimati contribuire per circa un terzo alle emissioni di gas serra. La coltivazione di microalghe rappresenta una soluzione promettente, in grado di garantire una produttività proteica superiore di un ordine di grandezza rispetto alle colture convenzionali e di raggiungere un contenuto potenziale fino all’80% di proteine sul peso secco. La coltivazione fotoautotrofica tradizionale deve tuttavia affrontare sfide significative legate al trasferimento di massa della CO₂ e alle esigenze infrastrutturali per il suo approvvigionamento in forma concentrata.
Il concetto di bioeconomia del formiato – che comprende i processi biotecnologici basati sull’impiego del formiato (sale dell’acido formico) come molecola chiave per la produzione di biomassa, proteine, biocarburanti e altri composti di interesse industriale – è emerso come approccio innovativo per superare tali limitazioni. L’acido formico (FA) e l’acido acetico (AA) possono venire sintetizzati direttamente dalla CO₂ attraverso riduzione elettrochimica o processi biologici, offrendo alternative liquide e trasportabili alla CO₂ gassosa. Nonostante il considerevole interesse nel metabolismo formatotrofico, i precedenti tentativi di ingegnerizzare microalghe per l’utilizzo dell’acido formico hanno però richiesto modificazioni genetiche estensive e offerto rese modeste.
Galdieria sulphuraria, una microalga rossa poliestremofile, prospera in ambienti altamente acidi (pH < 3) con temperature elevate (fino a 56°C), ed è quindi particolarmente adatta per applicazioni industriali. Lo studio di ETH Zurich (Proietti Tocca et al., 2025) indaga quindi per la prima volta le capacità di coltivazione mixotrofica di G. sulphuraria SAG 108.79 utilizzando acidi organici come fonti di carbonio, con implicazioni per la produzione di proteine unicellulari e biotecnologie sostenibili.
Metodologia
Progettazione sperimentale e selezione del ceppo
La ricerca ha impiegato Galdieria sulphuraria SAG 108.79, acquistata dalla collezione di alghe dell’Università di Gottingen (SAG), la quale è stata selezionata per la sua elevata bioaccessibilità proteica (69%) e il genoma completamente sequenziato. La valutazione della tossicità è stata condotta utilizzando micropiastre a 24 pozzetti a pH 2 e 4, testando otto concentrazioni (0,0-0,7 g L⁻¹) sia di acidi formici che acetici. Il disegno sperimentale ha riconosciuto che la tossicità degli acidi organici aumenta significativamente al di sotto dei rispettivi valori di pKa (3,75 per FA, 4,75 per AA) a causa della diffusione passiva attraverso le membrane e dell’acidificazione citoplasmatica.
Configurazione del fotobioreattore
Gli esperimenti mixotrofici sono stati condotti in fotobioreattori a pannello piatto da 2,0 L con volume di lavoro di 1,8 L. I sistemi hanno mantenuto temperatura costante (42°C), pH 2,0 ± 0,1, e densità di flusso fotonico fotosinteticamente attivo (PPFD) di 250 μmol fotoni m⁻² s⁻¹.
Le strategie di alimentazione continua sono state implementate per evitare l’accumulo di acidi organici, con velocità di alimentazione calcolate sulla base dei tassi di fissazione della CO₂ fotoautotrofica utilizzando fattori arbitrari (F = 0,5, 1, 1,25 per FA; F = 0,75, 1,25 per AA).
Metodi analitici
La produttività della biomassa (rₓ) è stata determinata attraverso regressione lineare delle misurazioni del peso secco nel tempo. I calcoli della produttività basata sul carbonio (rₓᶜ) hanno incorporato il contenuto di carbonio della biomassa misurato tramite analisi CHNS.
Le rese di biomassa sul substrato (Yᶜₓ/ₛ) sono state calcolate secondo il rapporto tra produttività basata sul carbonio e tasso di fornitura giornaliera del substrato. Il profilo degli aminoacidi ha utilizzato l’analisi HPLC seguita da idrolisi acida e derivatizzazione con o-ftaldemaldeide.
Analisi bioinformatica
L’indagine genomica si è concentrata sull’identificazione di enzimi in grado di metabolizzare il formiato attraverso ricerche complete nei database KEGG e BRENDA.
I numeri della Commissione Enzimatica (EC), che descrivono gli enzimi coinvolti nei percorsi metabolici del formiato, sono stati confrontati con le informazioni presenti nel database UniProt per G. sulphuraria, al fine di identificare corrispondenze tra enzimi noti e quelli presenti nella microalga.
L’analisi del trasferimento genico orizzontale ha impiegato ricerche tBLASTn contro sequenze GenBank per determinare l’origine evolutiva dei geni della formiato deidrogenasi.
Risultati e discussione
Profili di tossicità e sviluppo della strategia di alimentazione
I test di tossicità degli acidi organici hanno rivelato effetti significativi dipendenti dal pH sulla crescita di G. sulphuraria. A pH 2, l’acido formico si è dimostrato letale a concentrazioni di appena 0,1 g L⁻¹, mentre l’acido acetico è stato tollerato fino a 0,3 g L⁻¹.
Questi risultati si allineano con ricerche precedenti su batteri acidofili, dove sono state riportate concentrazioni inibitorie semimassimali di 0,03 g L⁻¹ per l’acido formico.
L’estrema tossicità ha reso necessario lo sviluppo di protocolli di alimentazione continua per mantenere le concentrazioni del substrato al di sotto delle soglie inibitorie.
Prestazioni di crescita mixotrofica
Il benchmarking fotoautotrofico ha stabilito che la produttività di G. sulphuraria è aumentata sostanzialmente con l’arricchimento di CO₂, da 0,11 ± 0,02 g L⁻¹ giorno⁻¹ (CO₂ atmosferica) a 0,96 ± 0,02 g L⁻¹ giorno⁻¹ (2% CO₂). Le rese di biomassa sulla CO₂ sono tuttavia rimaste basse (3,0%) a causa delle limitazioni del trasferimento di massa, validando la necessità di sistemi alternativi di distribuzione del carbonio.
La mixotrofia con acido formico ha dimostrato un’efficienza notevole, raggiungendo la conversione completa del substrato (Yᶜₓ/ₛ = 106,4 ± 2,3%) quando i tassi di alimentazione corrispondevano alla capacità di fissazione del carbonio fotoautotrofico (F = 0,5). L’aumento della fornitura di substrato per superare i tassi di fissazione (F = 1,25) ha comportato un miglioramento della produttività a 1,06 ± 0,03 g L⁻¹ giorno⁻¹, sebbene le rese di biomassa siano diminuite al 89,1 ± 4,1%. La resa eterotrofica sull’acido formico (31,8 ± 11,2%) ha indicato un utilizzo efficiente del carbonio ma una generazione energetica limitata, confermando il ruolo dell’acido formico come fonte di carbonio piuttosto che substrato energetico primario.
La coltivazione con acido acetico ha prodotto prestazioni energetiche superiori, con rese eterotrofiche vicine ai massimi teorici (70,9 ± 34,1%) e aumenti significativi della produttività (19% sopra il riferimento fotoautotrofico a F = 1,25). Questi risultati dimostrano la doppia funzionalità dell’acido acetico sia come fonte di carbonio che di energia, in linea con il metabolismo microalgale stabilito.
Base genomica per la capacità formatotrofica
L’analisi bioinformatica ha rivelato la presenza di due enzimi formiato deidrogenasi (FDH) omologhi (M2WYT6_GALSU e M2XS58_GALSU) all’interno del genoma di G. sulphuraria. Questa prima identificazione di FDH nativo nelle microalghe spiega le capacità formatotrofiche uniche dell’organismo. L’analisi filogenetica suggerisce trasferimento genico orizzontale da funghi termofili, in linea con risultati precedenti che mostrano come circa il 5% dei geni codificanti proteine di G. sulphuraria sono originati attraverso tali meccanismi.
Il percorso metabolico proposto coinvolge la diffusione passiva dell’acido formico attraverso le membrane cellulari, la deprotonazione citoplasmatica a formato, e la successiva ossidazione catalizzata da FDH a CO₂ con generazione concomitante di NADH. La CO₂ prodotta entra nei cloroplasti per la fissazione del ciclo di Calvin, mentre il NADH supporta processi anabolici o fosforilazione ossidativa. Questo meccanismo mixotrofico accoppia elegantemente l’ossidazione degli acidi organici con la fissazione fotosintetica del carbonio.
Qualità della biomassa e valutazione nutrizionale
Il contenuto proteico è rimasto costantemente elevato (52% p/p) attraverso tutte le condizioni di coltivazione, non influenzato dalla selezione della fonte di carbonio. L’analisi della composizione elementare ha rivelato contenuti stabili di carbonio (48,2 ± 0,4%) e azoto (11,3 ± 0,3%), sebbene il contenuto di zolfo abbia mostrato maggiore variabilità (0,64-1,01%), probabilmente riflettendo l’adattamento di G. sulphuraria ad ambienti ricchi di zolfo.
Il profilo degli aminoacidi ha dimostrato che tutte le condizioni di coltivazione hanno soddisfatto i requisiti dietetici FAO per gli adulti (2013), con composizioni di aminoacidi essenziali che rimangono stabili indipendentemente dalla supplementazione con acidi organici. Questa consistenza nutrizionale, combinata con l’alta bioaccessibilità proteica (69%) già riportata per questo ceppo, conferma il potenziale di G. sulphuraria come fonte premium di proteine unicellulari.
Implicazioni industriali e prospettive future
La scoperta della capacità fotoformatotrofica nativa in G. sulphuraria affronta limitazioni critiche negli attuali sistemi di produzione di microalghe. La produzione di acido formico e acetico attraverso elettrocatalisi di CO₂ offre percorsi scalabili per convertire la CO₂ atmosferica o industriale in fonti di carbonio concentrate e trasportabili. Questo approccio aggira infrastrutture costose di cattura e trasporto della CO₂ permettendo al contempo la produzione distribuita di microalghe indipendente da fonti di CO₂ ad alta concentrazione.
La modellizzazione economica suggerisce che gli attuali costi di cattura diretta dell’aria (500-1000 $ ton⁻¹ CO₂) potrebbero essere compensati dalle rese superiori di biomassa e dai requisiti infrastrutturali semplificati dei sistemi di coltivazione basati su acidi organici. La progressiva maturazione delle tecnologie di riduzione elettrochimica della CO₂ e la riduzione dei relativi costi potrebbero rendere la coltivazione mixotrofica con acidi organici derivati elettrochimicamente competitiva con gli approcci tradizionali.
La sostenibilità ambientale di questo sistema dipende essenzialmente dall’integrazione di energia rinnovabile per i processi elettrochimici. Studi di valutazione del ciclo di vita saranno essenziali per quantificare i bilanci netti di carbonio ed energia, considerando in particolare i requisiti energetici per la sintesi di acidi organici versus la concentrazione e il trasporto della CO₂.
Percorso regolatorio per Galdieria sulphuraria come novel food in Unione Europea
La commercializzazione delle proteine di Galdieria sulphuraria in Europa è soggetta ai rigorosi requisiti previsti dal Novel Food Regulation (EU) 2015/2283 che si applica agli alimenti non consumati in misura significativa prima del 15 maggio 1997, inclusi i prodotti derivati da microalghe. G. sulphuraria non può ancora venire utilizzata nella produzione di alimenti in UE, poiché la domanda di autorizzazione della sua biomassa essiccata come nuovo alimento, presentata nel 2019 (Commissione Europea, 2019), è tuttora in attesa di valutazione da parte di EFSA.
Status QPS
La specie non ha ottenuto lo status di Qualified Presumption of Safety (QPS) a causa della carenza di prove a sostegno del suo utilizzo sicuro nelle filiere alimentare e dei mangimi. Ciò comporta che le relative richieste di autorizzazione come novel food dovranno venire accompagnate da dossier comprensivi di evidenze scientifiche e dati di sicurezza completi, senza poter accedere alla procedura semplificata QPS.
Considerazioni sui metodi di produzione
La coltivazione formatotrofica, che utilizza acido formico e acetico come fonti di carbonio, introduce una complessità regolatoria aggiuntiva che richiederà una nuova domanda di autorizzazione come novel food. Sebbene entrambe le sostanze siano additivi alimentari (E236 e E260) autorizzati ai sensi del Food Additives Regulation (EC) No 1333/2008, il loro ruolo nella crescita delle microalghe richiederà un’apposita valutazione, con particolare attenzione ai potenziali contaminanti correlati al processo, gli acidi residui e insottoprodotti metabolici.
Dati di sicurezza e nutrizionali
La domanda di autorizzazione di novel food richiede estensivi test tossicologici, nutrizionali e di allergenicità. L’evidenza di stabilità della composizione nutrizionale nelle diverse condizioni di coltivazione – come il profilo consistente di aminoacidi essenziali riportato da Proietti Tocca et al. (2025) – fornisce supporto importante sotto tale aspetto.
Implicazioni di mercato
Un’autorizzazione di successo posizionerebbe G. sulphuraria come fonte di proteine premium, combinando alto contenuto proteico (52% p/p) con un profilo completo di aminoacidi, con un potenziale valore aggiunto rispetto ad altre microalghe. Il suo status non-OGM può inoltre facilitare la sua approvazione, non essendo perciò richieste le valutazioni di biosicurezza aggiuntive di cui alla direttiva 2001/18/CE.
Expertise FARE/Wiise
L’unità FARE (Food and Agriculture Requirements) della nostra Wiise benefit fornisce expertise specializzata per le domande di autorizzazione di novel food e health claims, con conoscenza approfondita dei percorsi regolatori EFSA. La sua partecipazione nel progetto di ricerca europeo ProFuture sulle proteine delle microalghe evidenzia la capacità di connettere ricerca e innovativa con validazione regolatoria ed exploitation.
Sfide tecnologiche e direzioni di ricerca
Diverse sfide tecnologiche, oltreché regolatorie, devono venire affrontate per l’implementazione commerciale della promettente ricerca di ETH Zurich. La tossicità degli acidi organici a pH basso necessita avanzati sistemi di controllo di processo per mantenere tassi di alimentazione ottimali. Studi di scalabilità saranno cruciali per validare strategie di alimentazione continua in sistemi di produzione più grandi, mantenendo al contempo le alte rese di biomassa dimostrate in laboratorio.
Approcci di ingegneria metabolica potrebbero potenzialmente migliorare l’efficienza formatotrofica attraverso l’aumento dell’espressione di FDH o meccanismi di trasporto degli acidi organici migliorati. La scoperta della capacità formatotrofica nativa riduce peraltro la complessità tipicamente associata ai microrganismi geneticamente modificati, facilitando l’approvazione regolatoria per applicazioni su alimenti e mangimi.
La ricerca di ottimizzazione dei processi dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di sistemi integrati che accoppiano la riduzione elettrochimica della CO₂ con la coltivazione di microalghe. Il monitoraggio in tempo reale e il controllo delle concentrazioni di acidi organici, accoppiati con automazione avanzata dei bioprocessi, saranno essenziali per mantenere condizioni di crescita ottimali massimizzando al contempo l’efficienza di conversione del substrato.
Considerazioni economiche e ambientali
L’analisi tecnico-economica della produzione di microalghe basata su formiato deve considerare la catena del valore completa, dalla cattura della CO₂ attraverso la sintesi di acidi organici fino alla raccolta e lavorazione della biomassa. Le attuali efficienze di conversione elettrochimica per CO₂ ad acido formico variano dal 48,7-96,5%, mentre la produzione di acido acetico rimane meno matura tecnologicamente. Strategie di integrazione dei processi che abbinano la generazione di elettricità rinnovabile con la riduzione elettrochimica potrebbero migliorare significativamente la fattibilità economica.
La valutazione dell’impronta carbonica dovrebbe tener conto dei requisiti energetici della sintesi di acidi organici versus i metodi di concentrazione tradizionali della CO₂. Il modello di produzione distribuita abilitato dalle scorte di acidi organici potrebbe ridurre le emissioni di trasporto fornendo al contempo opportunità economiche rurali in regioni con abbondanti risorse di energia rinnovabile.
Il posizionamento di mercato delle proteine prodotte attraverso questa via dipenderà dal dimostrare credenziali di sostenibilità ed equivalenza nutrizionale alle fonti proteiche convenzionali. Lo status non-OGM di G. sulphuraria di tipo selvatico può fornire vantaggi di mercato in regioni con regolamentazioni biotecnologiche restrittive.
Conclusioni
Questa ricerca pionieristica dei ricercatori di ETH Zurich dimostra il potenziale rivoluzionario di Galdieria sulphuraria per la produzione sostenibile di proteine attraverso la coltivazione fotoformatotrofica. Il raggiungimento della conversione completa di acidi organici in biomassa di elevata qualità, unitamente all’identificazione di enzimi nativi di formiato deidrogenasi, pone questa microalga estremofila come piattaforma unica per le biotecnologie di nuova generazione.
La coltivazione mixotrofica basata su acidi organici prodotti elettrochimicamente offre un’alternativa ai sistemi convenzionali a CO₂ e permette una produzione distribuita di microalghe con requisiti infrastrutturali ridotti. Rese di biomassa del 89-100% e qualità proteica consistente che soddisfa gli standard nutrizionali FAO validano il potenziale commerciale di questa tecnologia.
Le priorità di ricerca future dovrebbero concentrarsi su scalabilità dei processi, ottimizzazione economica, e valutazione del ciclo di vita per quantificare i benefici ambientali. L’integrazione della riduzione elettrochimica della CO₂ guidata da energia rinnovabile con la coltivazione formatotrofica di microalghe rappresenta un percorso promettente verso l’implementazione di un’economia circolare del carbonio.
La scoperta che G. sulphuraria può utilizzare efficacemente l’acido formico senza modificazione genetica affronta sfide chiave di accettazione regolatoria e dei consumatori associate ai microrganismi ingegnerizzati. Questa capacità metabolica naturale, combinata con le caratteristiche estremofile dell’organismo e il profilo nutrizionale eccezionale, posiziona G. sulphuraria come candidato principale per la produzione sostenibile di proteine nella bioeconomia emergente.
Dario Dongo
Cover art copyright © 2025 Dario Dongo (AI-assisted creation)
Riferimenti
- European Commission. (2019). Public summary of the dossier: Dried biomass of Galdieria sulphuraria (Application No. 2019/1342). Novel Food application under Regulation (EU) 2015/2283. Retrieved from https://food.ec.europa.eu/document/download/b165acbd-199a-4046-b1be-f97831891d3e_en
- Joint FAO/WHO/UNU Expert Consultation on Protein and Amino Acid Requirements in Human Nutrition. (2007). Protein and amino acid requirements in human nutrition: Report of a Joint WHO/FAO/UNU Expert Consultation. WHO Technical Report Series No. 935. World Health Organization. ISBN: 978-92-4-120935-9
- Proietti Tocca, G., Abiusi, F., Macken, D., Fraterrigo Garofalo, S., Tommasi, T., Fino, D., & Mathys, A. (2025). Complete conversion of organic acids into protein-rich biomass: Discovering the photoformatotrophic capacity of Galdieria sulphuraria. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c02338
Dario Dongo, lawyer and journalist, PhD in international food law, founder of WIISE (FARE - GIFT - Food Times) and Égalité.
