Come i ricercatori trasformano i batteri in mini-fabbriche di cellulosa

I batteri producono materiali di interesse per l'uomo, come cellulosa, seta o minerali. Il vantaggio della produzione batterica è che è sostenibile e avviene a temperatura ambiente e in acqua. Uno svantaggio è che i batteri impiegano molto tempo e producono solo piccole quantità, troppo poche per essere utilizzate a livello industriale. Per questo motivo la ricerca sta cercando da tempo di trasformare i microrganismi in mini-fabbriche viventi in grado di produrre più rapidamente quantità maggiori di un prodotto desiderato. Ciò richiede un intervento mirato sul materiale genetico o la selezione dei ceppi batterici più adatti.

Il gruppo di ricerca guidato da André Studart, professore di materiali complessi presso l'ETH di Zurigo, presenta ora un nuovo approccio utilizzando l'esempio del batterio produttore di cellulosa dal nome complicato Komagataeibacter sucrofermentans. Applicando i principi dell'evoluzione per selezione naturale al loro metodo, gli scienziati possono generare decine di migliaia di varianti del batterio in un tempo molto breve e scegliere selettivamente quelle che producono più cellulosa.

K. sucrofermentans Le cellule producono naturalmente cellulosa altamente pura, un materiale molto richiesto per applicazioni biomediche, per la produzione di materiale da imballaggio o di tessuti, tra le altre cose. Questa cellulosa favorisce la guarigione delle ferite e previene le infezioni, ad esempio. "Ma i batteri crescono lentamente e producono solo quantità limitate di materiale. Dovevamo quindi trovare un modo per aumentare la produzione", spiega Julie Laurent, dottoranda del gruppo di Studart e prima autrice di uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica PNAS.

Questo risultato è stato ottenuto grazie all'approccio sviluppato: Alcune varianti di K. sucrofermentans Le nuove piante di cellulosa producono fino al 70% di cellulosa in più rispetto alla forma originale.

Accelerare l'evoluzione con la luce UV

In primo luogo, la ricercatrice sui materiali ha creato nuove varianti del batterio originale, il cosiddetto wild type. Per farlo, ha irradiato le cellule batteriche con luce UV-C. La luce UV danneggia il DNA batterico in punti casuali. Julie Laurent ha poi lasciato i batteri a riposo nella camera oscura, impedendo loro di riparare il danno al DNA. Il risultato sono le mutazioni.

La scienziata ha quindi incapsulato ogni singola cellula batterica in una minuscola goccia di soluzione nutritiva utilizzando un apparecchio in miniatura e ha lasciato che le cellule producessero cellulosa per un certo periodo di tempo. Dopo il periodo di incubazione, ha utilizzato la microscopia a fluorescenza per analizzare quali cellule producevano molta cellulosa e quali ne producevano poca o nessuna.

Utilizzando un sistema di selezione sviluppato da Andrew DeMello, l'esperto dell'ETH, il team di Studart ha selezionato automaticamente le cellule che si sono sviluppate come migliori produttori e che hanno prodotto quantità particolarmente elevate di cellulosa. L'impianto di selezione funziona in modo completamente automatico e molto rapido. In soli dieci minuti è in grado di scansionare mezzo milione di gocce con un laser e di selezionare quelle che contengono più cellulosa. Alla fine ne rimangono solo quattro, che producono dal 50 al 70% di cellulosa in più rispetto al tipo selvatico.

Le cellule avanzate di K. sucrofermentans sono in grado di produrre tappeti di cellulosa in recipienti di reazione nello strato limite tra aria e acqua. Un tappetino di cellulosa in un recipiente di questo tipo pesa naturalmente tra i due e i tre milligrammi ed è spesso 1,5 millimetri. I tappetini delle varianti ulteriormente sviluppate sono quasi due volte più pesanti e spessi.

Julie Laurent e i suoi colleghi hanno anche analizzato geneticamente queste quattro varianti per scoprire quali geni sono stati alterati dalla luce UV-C e come questi cambiamenti hanno portato alla sovrapproduzione di cellulosa. Tutte e quattro le varianti presentavano la stessa mutazione nello stesso gene. Questo gene è il progetto di una proteasi, un enzima che divide le proteine. Con grande sorpresa dei ricercatori di materiali, tuttavia, i geni che controllano direttamente la produzione di cellulosa non erano alterati. "Sospettiamo che questa proteasi degradi le proteine che regolano la produzione di cellulosa. Senza questa regolazione, la cellula non può più arrestare il processo", spiega il ricercatore.

Brevetti iscritti

La nuova piattaforma è versatile e può essere trasferita a batteri che producono altri materiali. In origine, tali piattaforme erano state sviluppate per creare batteri che producessero determinate proteine o enzimi. "Siamo i primi a utilizzare una piattaforma di questo tipo per migliorare la produzione di materiali non proteici", afferma l'ETH André Studart. "Per me questo lavoro è una pietra miliare".

I ricercatori hanno iscritto un brevetto sia per la piattaforma che per le varianti batteriche mutate.

I ricercatori vogliono ora collaborare con aziende che già producono cellulosa batterica per testare i nuovi microrganismi in condizioni industriali reali.