Suberina

La suberina è un biopolimero naturale presente in una varietà di tessuti specializzati, tra cui i tegumenti del rivestimento del seme, l’endoderma delle radici, la corteccia degli alberi, la buccia dei tuberi di patata. L’abbondanza di suberina varia a seconda del tipo di pianta e di tessuto, dello stadio di sviluppo e della capacità della pianta di rispondere ai cambiamenti ambientali.

La sopravvivenza delle piante terrestri dipende dalla loro capacità di controllare la perdita di acqua e il trasporto di soluti, di isolare dagli estremi e dalle variazioni climatiche, di proteggere dagli attacchi patogeni e di limitare i danni meccanici.

La suberina ha natura lipofila e contribuisce in modo sostanziale alla capacità delle piante di resistere e riprendersi da tali stress.  Dato che lo scopo biologico della presenza e della produzione della suberina è quello di fornire una barriera protettiva nelle pareti cellulari delle piante, quella che deriva dalla parete cellulare è tra i componenti vegetali persistenti presenti nel suolo.

La biosintesi, la regolazione e la plasticità associata della suberina in varie condizioni determinano le proprietà qualitative e quantitative della suberina e la sua influenza sulle proprietà fisiologiche e strutturali delle piante

Struttura della suberina

La suberina è tipo di poliestere costituita da un dominio polialifatico, tipicamente in stretta associazione con un dominio poliaromatico derivato dall’acido ferulico. È un eteropolimero complesso costituito da una varietà di monomeri tra cui composti alifatici come acidi grassi a catena lunga (C16–C24) e loro derivati, glicerolo e monomeri aromatici.

I componenti alifatici predominanti sono ω-idrossiacidi, α,ω-diacidi, acidi grassi e alcoli primari, mentre gli acidi idrossicinnamici, in particolare l’acido ferulico, sono i componenti principali del dominio poliaromatico. I monomeri del dominio polialifatico della suberina sono reticolati da ponti di glicerolo per produrre un poliestere tridimensionale.

Anche i monomeri del  dominio polifenolico  sono reticolati tramite legami carbonio-carbonio tra unità ed etere, piuttosto che legami esterei e vi sono numerose prove che supportano il ruolo del glicerolo nel collegare i due domini. A differenza della lignina poliaromatica, la suberina è caratterizzata dalla presenza di livelli più elevati di acidi idrossicinnamici e derivati ​​come, ad esempio, i ferulati.

Biosintesi

Il meccanismo biosintetico responsabile della produzione della suberina è complesso e consiste in un insieme di passaggi enzimatici dominati dalla sintesi di alcoli grassi e acidi, ma richiede anche la via dei fenilpropanoidi.

La biosintesi della suberina si basa sulla sintesi degli acidi grassi C 16:0 , C 18:0 e C 18:1 nei plastidi mediante il complesso dell’acido grasso sintasi (FAS). Dopo l’aggiunta dei gruppi CoA, C 16:0 -CoA, C 18:0 -CoA e C 18:1 -CoA possono essere trasportati nel reticolo endoplasmatico  dove vengono allungati in acidi grassi a catena molto lunga (VLCFA). L’allungamento della catena e l’ossidazione rappresentano due principali vie di modificazione degli acidi grassi che producono i monomeri suberina alifatici predominanti.

Il primo passaggio importante nella biosintesi dei VLCFA è la condensazione delle unità C(2) in acil-CoA tramite l’attività degli enzimi β -chetoacil-CoA sintetasi (KCS). I VLCFA correlati alla suberina vengono ulteriormente ossigenati dai membri della famiglia delle proteine citocromo P450 ossidasi.

La fenilalanina ammoniaca-liasi  catalizza il primo passaggio della via dei fenilpropanoidi, convertendo l’amminoacido fenilalanina derivato dalla via shikimato in cinnamato, nello stadio successivo avviene l’idrossilazione in posizione para da parte dell’acido cinnamico 4-idrossilasi con formazione dell’acido 4-idrossicinnamico ovvero l’acido p-cumarico che, grazie all’azione dell’enzima 4-coumarato-CoA ligasi, si trasforma in p -coumaroil-CoA.

Quest’ultimo, che svolge un ruolo cruciale nella biosintesi dei flavonoidi, può seguire un’altra via metabolica con formazione del p-cumaroil-chinato/shikimato che, a seguito di una serie di reazioni catalizzate da enzimi, produce la struttura idrossicinnamato 4-idrossi-3-metossi-sostituita dell’acido ferulico, che è comune alla suberina.

Bioprodotti

A causa del suo ruolo importante nella salute e nella sostenibilità delle piante, dei sistemi colturali e degli ecosistemi, la suberina è stata presa in considerazione la progettazione e la coltivazione delle colture destinate ad usi biochimici, produzione di bioprodotti e bioenergia.

La trasformazione della biomassa in materiali ad alto valore aggiunto è una parte fondamentale della strategia dell’UE per la transizione verso un’economia circolare e climaticamente neutra entro il 2050. In questo contesto, il progetto SUBLUBE, finanziato dall’UE, prevede di sfruttare un processo di frazionamento-idrolisi per recuperare la suberina pura dai sottoprodotti del sughero. Negli ultimi 250 anni, l’economia lineare caratterizzata da “prendere, produrre e sprecare” è stata utilizzata dalle industrie manifatturiere globali.

Tuttavia, l’economia lineare sta facendo spazio al concetto di economia circolare che cerca di dissociare la crescita economica dall’estrazione e dal consumo di risorse naturali limitate, cioè risorse scarse come i combustibili fossili con impronta negativa, e sottolinea la minimizzazione degli sprechi nella produzione.  Questo concetto promuove inoltre la conservazione delle risorse e aumenta significativamente la redditività delle operazioni di produzione complessive. Strettamente associata all’economia circolare è la bioeconomia o economia a base biologica che rappresenta il graduale passaggio dall’utilizzo di risorse estratte non rinnovabili all’utilizzo di risorse rinnovabili.

La conversione biologica e termochimica della biomassa lignocellulosica si concentra principalmente sui metodi utilizzati per convertire e valorizzare i componenti della parete cellulare della lignina, della cellulosa e dell’emicellulosa. La suberina è presente in tessuti e in alcuni tipi e frazioni fisiologiche di biomassa, comprese radici e corteccia, che possono essere presenti in abbondanza nei rifiuti forestali e agricoli.

Inoltre, la suberina ha un contenuto di ossigeno inferiore e un contenuto energetico più elevato rispetto al legno e ciò la rende potenzialmente una materia prima adatta ai processi di conversione. Per convertire la biomassa in prodotti solidi, liquidi e gassosi con potenziale utilizzo per la produzione chimica ed energetica sono utilizzati metodi di conversione termochimica come la pirolisi tramite vari tipi di catalizzatori e condizioni di processo per ottimizzare le proprietà dei prodotti derivati ​​dalla biomassa.

In particolare la depolimerizzazione termochimica diretta della suberina è stata utilizzata per produrre biocarburanti, in particolare per sfruttare il suo alto contenuto energetico. Sono anche stati utilizzati  metodi di conversione biologica per convertire la biomassa che comprendono la saccarificazione e l’idrolisi enzimatica, la fermentazione e la digestione anaerobica.

Le combinazioni di piattaforme di conversione termochimica e biologica possono migliorare l’economia e l’utilizzo dei materiali di scarto nei concetti di bioraffineria.