Una review rileva che la multiomica sta guidando la ricerca di lieviti industriali tolleranti al calore

Una nuova review sull’International Journal of Food Microbiology sostiene che gli strumenti multiomici stanno diventando centrali nella ricerca di lieviti tolleranti al calore, capaci di mantenere attive le fermentazioni industriali a temperature più elevate, un cambiamento che potrebbe avere rilevanza per la produzione alimentare, la birrificazione, i biocarburanti e altre industrie basate sulla fermentazione che devono fare i conti con costi energetici in aumento e condizioni operative più calde.

L’articolo, pubblicato con il DOI 10.1016/j.ijfoodmicro.2026.111824, è stato scritto da Xuexue Rao, Meiyan Li, Linling Li, Quan Yuan, Xiaodan Wang, Wentao Cao, Shuyi Qiu e Xiaoye Luo. Esamina come genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica possano essere combinate per spiegare perché alcuni lieviti sopravvivono meglio di altri allo stress termico e in che modo tali risultati possano aiutare selezionatori e ingegneri a sviluppare ceppi adatti a contesti industriali più caldi.

Il lievito è un organismo di lavoro fondamentale in settori che includono pane, birra, vino, distillati, fermentazione lattiero-casearia, enzimi, prodotti farmaceutici ed etanolo. Ma la maggior parte dei ceppi convenzionali perde efficienza con l’aumento della temperatura. Secondo la review, il calore può danneggiare le strutture cellulari, alterare gli enzimi e ridurre la capacità fermentativa. Questo crea problemi pratici per i produttori: rese inferiori, processi più lenti e una maggiore probabilità che microrganismi indesiderati prendano il sopravvento se le condizioni non sono controllate con precisione.

Gli autori affermano che il problema è particolarmente importante nei processi che già operano in climi caldi o in condizioni industriali ad alta intensità termica, compresa la fermentazione di bevande tropicali, la produzione di acidi organici e la fabbricazione di biocarburanti. In questi contesti, la capacità di fermentare a temperature superiori a 40°C può ridurre il fabbisogno di raffreddamento e abbassare il rischio di contaminazione. La review cita ricerche precedenti che stimano come un impianto di etanolo da 30.000 kilolitri l’anno possa ottenere 30.000 dollari di ricavi netti in più per ogni aumento di 5°C della temperatura di fermentazione.

Questo argomento economico ha spinto i ricercatori ad andare oltre lo sviluppo tradizionale dei ceppi. La review osserva che i metodi classici di mutagenesi sono altamente casuali e spesso inefficienti, con un tasso di mutazione positivo inferiore allo 0,1%. Anche quando producono lieviti più tolleranti al calore, il risultato può accompagnarsi a prestazioni fermentative più deboli. La tolleranza al calore non è controllata da un singolo gene o da un’unica via metabolica. È un tratto poligenico legato alle proteine da shock termico, ai lipidi di membrana, alle risposte allo stress ossidativo e ad adattamenti metabolici più ampi all’interno della cellula.

È questa complessità ad aver attirato l’attenzione sulla multiomica. La genomica può identificare mutazioni o cluster genici associati alla termotolleranza. La trascrittomica traccia quali geni si attivano o si disattivano sotto stress termico. La proteomica esamina i cambiamenti nell’abbondanza e nelle interazioni delle proteine. La metabolomica misura le variazioni delle piccole molecole che riflettono il modo in cui le cellule riorganizzano il metabolismo per sopravvivere. Usati insieme, questi approcci possono costruire una mappa più completa di come il lievito risponde quando la temperatura sale.

Per i produttori alimentari e delle bevande, il valore di questa mappa è tanto pratico quanto scientifico. Le prestazioni fermentative dipendono da una crescita stabile, da uno sviluppo prevedibile degli aromi e dalla resistenza alla contaminazione. Nella birrificazione o nelle fermentazioni di frutta tropicale, ceppi che restano attivi a temperature più elevate potrebbero ridurre il fabbisogno di refrigerazione e rendere la produzione più resiliente nelle regioni calde. Nei formaggi e in altri alimenti fermentati, le variazioni di temperatura possono inoltre modificare la velocità di maturazione e l’attività biochimica, incidendo sia sui tempi sia sulle caratteristiche del prodotto.

La review descrive lo screening diretto come una delle strade per individuare ceppi utili. I ricercatori hanno isolato lieviti termotolleranti da compost, sorgenti termali, frutti tropicali e alimenti fermentati tradizionali arricchendo i campioni in condizioni calde. Alcune specie di Saccharomyces cerevisiae e generi come Hansenula, Kluyveromyces, Candida, Saccharomycopsis e Pichia hanno mostrato crescita a 45°C dopo evoluzione adattativa o miglioramento del ceppo. Tuttavia, gli autori affermano che le risorse di ceppi attualmente disponibili restano insufficienti rispetto alla domanda industriale.

Il contributo della multiomica è offrire un modo per passare da uno screening ampio a un miglioramento mirato. Il sequenziamento dell’intero genoma può confrontare ceppi industriali robusti con altri più deboli per individuare geni candidati. Gli studi trascrittomici possono mostrare come si comportano le vie di risposta allo stress durante la fermentazione, e non solo in test statici di laboratorio. L’analisi proteomica può rivelare se le proteine protettive vengano effettivamente prodotte in quantità sufficienti. I dati metabolomici possono mostrare se le cellule mantengono l’integrità della membrana, l’equilibrio redox e l’apporto energetico sotto pressione termica.

La review presenta questo approccio integrato come uno strumento di selezione direzionale più che di selezione per tentativi ed errori. In linea di principio, una volta identificati i bersagli chiave su più livelli biologici, i selezionatori possono concentrarsi sui ceppi più propensi a combinare termotolleranza e forte resa fermentativa. Questo è importante perché l’industria non ha bisogno di lieviti che si limitino a sopravvivere al calore; ha bisogno di lieviti che continuino a convertire gli zuccheri in modo efficiente preservando la qualità del prodotto.

L’articolo segnala anche usi più ampi oltre alle bevande alcoliche. I lieviti termotolleranti sono rilevanti per l’etanolo di seconda generazione ottenuto da biomassa lignocellulosica, dove la saccarificazione e fermentazione simultanee spesso beneficiano di condizioni più calde. Possono inoltre essere importanti nel trattamento delle acque reflue e nella produzione di biochimici industriali, dove le temperature di processo possono già superare ciò che i lieviti standard tollerano comodamente.

Gli autori sono però cauti sui limiti della ricerca attuale. Osservano che gli studi omici spesso identificano correlazioni più che chiari rapporti di causa-effetto. Un gene che appare più attivo durante lo stress termico potrebbe non essere la ragione per cui un ceppo performa meglio in un contesto industriale. Tradurre i bersagli previsti in caratteristiche commerciali stabili resta difficile. Gli ambienti industriali espongono inoltre il lievito a più stress contemporaneamente, tra cui tossicità da etanolo, acidità e pressione osmotica, non solo al calore.

Il divario tra intuizione di laboratorio e prestazioni in fabbrica probabilmente definirà la prossima fase della ricerca. La review suggerisce che i lavori futuri dovranno integrare in modo più stretto l’analisi dei dati omici con la selezione o l’ingegnerizzazione applicata, così che i marcatori promettenti portino a ceppi affidabili nei cicli produttivi ripetuti. Una maggiore trasparenza dei dati e metodi analitici più raffinati potrebbero inoltre aiutare i ricercatori a distinguere i segnali significativi all’interno di grandi dataset.

Per i produttori dei mercati alimentare, beverage e bioenergia, il messaggio è semplice: la fermentazione ad alta temperatura resta attraente perché può ridurre i costi di raffreddamento e migliorare l’efficienza di processo, ma il successo dipende da ceppi di lievito progettati per quelle condizioni. La review sostiene che la multiomica sia ormai uno dei principali strumenti per capire come costruirli.

Lo studio è stato sostenuto da finanziamenti alla ricerca legati ai programmi per giovani talenti della Guizhou University e a progetti provinciali di innovazione in Cina dedicati alle risorse microbiche per l’industria della fermentazione. Gli autori hanno dichiarato di non avere noti conflitti di interesse finanziari o relazioni personali che avrebbero potuto influenzare il lavoro.