Leveraging lactic acid bacteria for new sustainable processes

Abstract

I microrganismi sono presenti in ogni ecosistema, influenzandone fortemente l’equilibrio e le funzionalità. La biodiversità sta subendo modificazioni a livello globale a causa di fattori antropici e naturali con diverse conseguenze sul benessere del nostro pianeta e sull’esistenza umana stessa. Considerata l'importanza della biodiversità, anche nel mondo microscopico, sono state create Collezioni Microbiche e Centri di Risorse Biologiche per preservare la diversità microbica e facilitare il raggiungimento di scopi sia scientifici che industriali. La Collezione Microbica dell'Università di Parma (UPCC-University Parma Culture Collection) è costituita principalmente da batteri lattici (LAB) isolati da varie matrici alimentari. I LAB rappresentano un ampio gruppo di batteri Gram-positivi ubiquitari notevolmente versatili e rilevanti, soprattutto in ambito alimentare e sanitario, grazie alla loro diversità metabolica e adattabilità alle diverse condizioni ambientali. I cambiamenti fenotipici dipendono dalle complesse interazioni tra fattori ambientali e genotipo, e la comprensione delle caratteristiche fenotipiche dei LAB è cruciale per sfruttarne il potenziale in diversi settori. Le attuali tecnologie di sequenziamento del genoma, bioinformatica e tecniche di screening ad alto rendimento applicate a grandi collezioni microbiche ci offrono nuove opportunità per muoverci verso un sistema economico sostenibile. Produrre composti ad alto valore aggiunto di interesse industriale grazie all’impiego di microrganismi è una delle strategie dell'economia circolare. L'implementazione di un modello di economia circolare consente il recupero, mediante approcci biotecnologici, di scarti e sottoprodotti generati a livello globale ogni giorno, fornendo così benefici sia economici che ambientali. All’interno di questo scenario, la presente tesi di Dottorato si è concentrata sulla caratterizzazione fenotipica dei batteri lattici dalla Collezione Microbica dell'Università di Parma. Questo approccio ha permesso di descrivere oggettivamente la diversità microbica e ottenere modelli predittivi al fine di ideare processi mirati. Inoltre, la fenotipizzazione ha permesso di esplorare il potenziale tecnologico dei LAB concentrandosi sulla produzione di acido lattico come precursore di bioplastiche e la valorizzazione dei sottoprodotti del biodiesel.

Microorganisms are present in every ecosystem, whose balance and functionality might strongly depend on microbial diversity. Biodiversity is changing worldwide because of anthropogenic and natural drivers with several consequences on our planet's well-being and human existence itself. Recognising the importance of biodiversity, Culture Collections and microbial Biological Resource Centres have been created to preserve microbial diversity and facilitate research and industrial purposes. The University of Parma's Culture Collection is mainly composed of lactic acid bacteria (LAB) isolated from various food matrices. LAB are a wide group of ubiquitous Gram-positive bacteria with remarkable versatility and relevance, especially in food and health, thanks to their metabolic diversity and adaptability to different environmental conditions. Changes in phenotype depend on the complex interactions between environmental factors and genotype, and the understanding of LAB's phenotypic features is crucial for exploiting their potential in diverse industries. Current technologies in genome sequencing, bioinformatics, and high-throughput screening techniques applied to large collections of microbial strains give us new opportunities to move towards a sustainable economic system. Producing value-added compounds of industrial interest by biological methods is one of the strategies of the circular economy. The implementation of a circular economy model enables the recovery of waste and by-products globally generated every day, thus providing both economic and environmental benefits. Within this scenario, the present Ph.D. thesis focused on the phenotypic characterisation of a representative selection of LAB from the University of Parma’s Culture Collection. This approach allowed us to objectively describe the microbial diversity and obtain predictive machine learning models to design targeted processes. Furthermore, the phenotyping enabled the exploration of LAB’s technological potential focusing on lactic acid production for bioplastics and biodiesel by-products' valorisation.