Edulcoranti proteici

di leonardo maffi
4 novembre 2006
Tags: biotech

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I dolcificanti sintetici sono associati a varie malattie. La Comunita' Europea credo abbia adottato un atteggiamento pragmatico: anche l'abuso di zucchero (ad esempio quello contenuto nelle bevande gassate) causa malattie come obesita' e diabete, che hanno ampi costi personali e sociali, per cui talvolta i dolcificanti sintetici possono costituire il male minore. Questo comunque non deve rallentare la ricerca di edulcoranti meno dannosi.

Esistono vari dolcificanti di originale naturale, in particolare ne sono noti sette proteici. Anche se sono proteine di origine naturale potrebbero comunque provocare pessime allergie e vari altri disturbi, per cui prima di pensare di usarle su larga scala vanno testate esattamente come fossero dei farmaci artificiali.

Queste sette proteine dolci o modificanti del gusto sono in Inglese: Brazzein, Thaumatin, Monelin, Curculin, Mabinlin, Miraculin e Pentadin. Esistono anche almeno alcuni nomi in Italiano, come Miraculina, Pentadina, Curculina, Taumatina.

Questo[1] e' un articolo che ne parla, che contiene anche una tabella[2] interessante.

Non tutte queste proteine sono dolcificanti, alcune sono modificatori del gusto correlati in qualche modo col senso del dolce, ad esempio la miraculina, che e' un enfatizzatore del dolce ad effetto prolungato, che si laga ai recettori del dolce e poi vi rimane legata[3].

Essendo sostanze proteiche non stimolano la produzione di insulina, comunque quando vengono digerite forniscono un po' di energia. Alcune di esse sono migliaia di volte piu' dolci del saccarosio, per cui possono essere usate in quantita' molto minori, per cui a parita' di potere dolcificante possono dare un apporto calorico molto piu' ridotto del saccarosio e fruttosio.

Tutte queste proteine sono state isolate da piante che crescono in foreste pluviali, e risultano dolci sia per scimmie (vecchio mondo) che per gli umani. Vista la loro efficacia e il loro numero, non penso che queste proteine abbiano origini casuali, ma penso che siano state prodotte per dolcificare ad esempio dei frutti, per favorirne il consumo, e quindi la diffusione dei semi. Gli animali mangiano i frutti per il loro valore alimentare, in particolare per il loro contenuto energetico, per farlo i primati osservano il colore dei frutti, e il loro gusto dolce. Ma per una pianta produrre molti zuccheri puo' essere energicamente costoso, o comunque per altri motivi svantaggioso, per cui si puo' instaurare una pressione selettiva che spinga all'evoluzione di sostanze (proteine) che risultino dolci al gusto dei primati. Se la pianta riesce ad inventare un docificante ipocalorico, cioe' che dia la sensazione del dolce senza richiedere molta energia per venire prodotto, o che a parita' di energia necessaria risulti particolarmente gradevole al gusto delle scimmie, la pianta ne trae un vantaggio. Questa e' forse la causa evolutiva di tali potenti dolcificanti naturali. E' possibile che le api (che dispongono di un fine senso del dolce) non vengano ingannate da queste proteine dolcificanti, come credo succeda con la saccarina. E' anche possibile che durante l'evoluzione le scimmie e altri animali abbiano affinato il loro senso del dolce per venire meno ingannate da tali sostanze dolcificanti. Anche questo e' o potrebbe essere un esempio di corsa agli armamenti evolutiva.

In ogni caso l'esistenza di queste proteine e' un'altra prova della quasi universalita' chimico / sterica delle proteine. D'altronde essendo proteine hanno in generale lo svantaggio di avere una bassa termostabilita', e il loro potere dolcificante e' dovuto alla loro forma tridimensionale, che perdono all'aumentare della temperatura (ad esempio oltre 70 gradi centigradi) oppure a pH molto acidi. Per ridurre questo problema per una di queste proteine, che in realta' in natura e' costituito da un paio di molecole quasi separate, sono state legate assieme le due subunita', producendo una molecola piu' stabile al calore e pH acidi, pur conservando la sua dolcezza. In almeno un altro caso utilizzando l'ingegneria genetica una di queste proteine dolci e stata inserita nelle patate, per produrre patate piu' dolci. Metodi analoghi potrebbero portare a fragole e meloni spontaneamente piu' dolci e non particolarmente calorici.

Alcuni batteri (ipertermofili) si riproducono a temperature altissime, le loro proteine si sono evolute per risultate molto piu' termostabili e rigide, ad esempio avendo nella loro struttura un numero maggiore di ponti disolfuro. Usando la "selezione molecolare artificiale" ("Directed Molecular Evolution", DME)[4], gli sperimentatori di solito non possono inventare proteine nuove, ne' ottimizzare proteine preesistenti per lo scopo per cui sono gia' state ottimizzate dalla selezione naturale, ma spesso possono ottimizzarle per scopi un po' diversi da quelli originali. Per cui forse si potrebbero usare tali metodi di DME per selezionare proteine dolci piu' termostabili (la termostabilita' e' industrialmente utile, e anche in ambito domestico, ad esempio per poter cuocere un dolce senza perdere la dolcezza aggiunta).

Per selezionare queste proteine dolci termostabili servirebbe un modello molto preciso dei recettori del dolce (che forse presto sara' disponibile), o anche piu' semplicemente una superficie coperta di molecole recettrici, sulle quali si lega la proteina dolce selezionata, che poi puo' essere in vari modi riprodotta con modifiche (ad esempio puo' essere sequenziata, oppure possono essere etichettate con un codice rapido da leggere che permetta di distinguere le varianti che sono state sottoposte alla verifica di potere di legame).

In alternativa servirebbe una lunga serie di test di dolcezza eseguiti da umani o scimmie. Alcune delle proteine prodotte da tale algoritmo genetico potrebbero risultare dannose, per cui i test andrebbero organizzati in modo da evitare che le sostanze vengano inghiottite.
Per rendere efficienti questi test con organismi, essi potrebbero venire guidati da un Algoritmo Genetico (GA)[5] che gira su un personal computer. L'esperienza ha mostrato che spesso tali GA 'preferiscono' (cioe' ottengono risultati migliori a parita' di tempo) un numero maggiore di computazioni della loro funzione di fitness (cioe' avere piu' calcoli di tale funzione a parita' di tempo, cioe' avere una funzione piu' veloce anche se meno accurata) piuttosto che avere una funzione molto precisa, per cui i test per misurare il gusto dolcificante delle tante proteine prodotte dall'AG probabilmente dovrebbero essere "statisticamente sparsi" e non accurati (cioe' ad esempio non penso servirebbe testare l'intensita' di dolce a tutte le varie concentrazioni, ma solo una o due concentrazioni a caso per ogni proteina).


*Alcuni riferimenti*:

[1]^ "Sweet proteins – Potential replacement for artificial low calorie sweeteners", by Ravi Kant:
http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=549512

[2]^ Idem:
http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=549512&rendertype=table&id=T1

[3]^ Miracle berry, by T. Ombrello, on "Plant of the week" site:
http://faculty.ucc.edu/biology-ombrello/POW/miracle_berry.htm

[4]^
http://en.wikipedia.org/wiki/Directed_evolution
http://www.vonl.com/chips/directed.htm
http://www.che.caltech.edu/groups/fha/triumphs.html
http://www.che.caltech.edu/groups/fha/directed_evolution.html

[5]^
http://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_algorithm

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