martedì, Dicembre 18, 2018
SCOPERTE

Batteri, anche quelli nell’intestino producono elettricità

Non solo in miniere e nelle profondità dei laghi si trovano i batteri elettrogeni, ma anche nell’intestino: così progetteremo le future batterie viventi.

SCOPERTE – Centinaia di batteri sono noti tra gli scienziati per la capacità di produrre elettricità e solitamente sono stati scoperti in posti reconditi, come le profondità di miniere e di laghi. Si tratta di luoghi impervi e dove l’ossigeno scarseggia, così che i batteri “respirano” metalli, come ad esempio ferro e manganese, producendo elettricità. Gli scienziati dell’università della California di Berkeley guidati da Daniel Portnoy hanno osservato batteri elettrogeni in un ambiente decisamente inaspettato: l’intestino umano. La scoperta è importante non solo per la salute dell’uomo, ma anche per il lavoro di quegli scienziati che stanno cercando di creare delle batterie “vive” dai microbi. Una tecnologia bioenergetica “verde”, per esempio, per generare elettricità dai batteri presenti negli impianti di smaltimento dei rifiuti.

Crediti immagine: UC Berkeley/Amy Cao graphic

Lo studio in pubblicazione sulla rivista Nature ha scoperto che diverse specie di batteri presenti nel nostro intestino, dai patogeni ai probiotici e quelli responsabili dei processi di fermentazione, sono in grado di produrre elettricità attraverso un meccanismo che è però diverso da quello di altre specie batteriche. Proprio nel microbioma umano possiamo trovare batteri elettrogeni come ad esempio la Listeria monocytogenes, un patogeno che provoca infezioni e dissenteria, il Clostridium perfrigens, responsabile della cancrena, o ancora alcuni streptococchi. Anche i lattobacilli, importanti per la fermentazione dello yogurt, e altri probiotici, possono produrre elettricità. Portnoy ha spiegato: “il fatto che così tanti microbi che interagiscono con l’uomo, siano essi patogeni, probiotici, parte del nostro microbioma o coinvolti nella fermentazione di prodotti umani, sono elettrogeni, è stato ignorato finora e può dirci molto su come questi batteri ci infettano o aiutarci ad avere un intestino sano”.

Ma perché questi batteri generano elettricità?

La risposta si trova nella respirazione. Gli esseri viventi come animali, piante e anche l’uomo, respirano ossigeno per rimuovere gli elettroni prodotti dal metabolismo cellulare e supportare la produzione di energia. Quando respiriamo, gli elettroni prodotti dal metabolismo vengono trasferiti all’ossigeno nei mitocondri di ogni cellula. Se esseri viventi, come appunto i batteri, si trovano in ambienti dove l’ossigeno scarseggia o è assente, come appunto miniere, profondità dei laghi e anche il nostro intestino, il trasferimento degli elettroni dovrà essere fatto a un altro accettore esterno alla cellula, generalmente un minerale composto da elementi come ad esempio il ferro o il manganese. Per questo motivo, spiegano i ricercatori, è come se questi batteri respirassero metalli.

Il processo di trasferimento di elettroni al di fuori da una cellula a un minerale avviene attraverso una speciale reazione chimica a cascata, chiamata catena di trasferimento di elettroni extracellulare. In questo processo gli elettroni vengono trasportati come se fossero una debole corrente elettrica. Un meccanismo che può essere facilmente sfruttato per creare una batteria: è sufficiente infatti porre un elettrodo in un’ampolla piena di batteri elettrogeni per generare elettricità.

Il nuovo sistema di trasferimento scoperto da Portnoy e colleghi si è rivelato più semplice rispetto alla già nota catena di trasferimento per altri batteri elettrogeni. Sam Light, ricercatore e co-autore dello studio, ha spiegato che il processo è stato osservato finora in batteri con membrana a singola cellula, classificati come gram-positivi, che vivono in ambenti ricchi di flavine, cioè derivati della vitamina B12: “sembra che le strutture cellulari di questi batteri e la nicchia ecologica ricca di vitamine che occupano rendano significativamente più facile e più economico trasferire gli elettroni dalla cellula. Per questo motivo, riteniamo che i batteri che respirano minerali oggi noti utilizzino il trasferimento di elettroni extracellulare perché è fondamentale per la loro sopravvivenza in ambienti privi di ossigeno, mentre i batteri recentemente osservati e oggetto dello studio lo utilizzano perché più facile”.

Dopo aver osservato queste specie di batteri, i ricercatori si sono avvalsi della collaborazione di Caroline Ajo-Franklin del Lawrence Berkeley National Laboratory per esplorare le interazioni tra i microbi viventi e i materiali inorganici con l’obiettivo di individuare una possibile applicazione della cattura e stoccaggio del carbonio per la generazione di energia bio-solare. Per farlo, hanno utilizzato un elettrodo per misurare la corrente elettrica che fluisce dai batteri e che può arrivare fino a 500 microampere, confermando così la loro natura elettrogena. I batteri scoperti nell’intestino umano producono elettricità per circa 100mila elettroni per secondo per cellula, valori comparabili con l’elettricità prodotto dai batteri elettrogeni già noti.

A destare particolare interesse anche la presenza di questo sistema di trasferimento elettronico nei Lactobacilli, batteri che svolgono un ruolo cruciale nella produzione di formaggi e yogurt e che potrebbe avere implicazioni anche nel sapore dei prodotti finali, come spiegato da Light: “si tratta di una grande parte della fisiologia batterica di cui le persone non si rendono nemmeno conto e che potrebbe essere potenzialmente manipolata”.

La scoperta di Portnoy e Light rappresenta solo un punto d’inizio nello studio di questi batteri e tante sono ancora le domande senza una risposta su come e perché abbiano sviluppato un sistema così unico nel suo genere. Si tratta infatti di batteri che sono in grado di sopravvivere sia in ambienti ricchi che poveri di ossigeno, ma i motivi per cui abbiano sviluppato questa capacità secondo i ricercatori sono fondamentalmente due: la semplicità, dato che è più facile trasferire elettroni attraverso una singola membrana cellulare che attraverso due, e l’opportunità, cioè poter trarre vantaggio dall’ubiquità delle molecole di flavine che fanno girare gli elettroni.

Pensare di avere dei generatori elettrici nel nostro intestino, spiegano i ricercatori, potrebbe essere uno shock per alcuni, ma per la scienza rappresenta un importante passo avanti nella progettazione e costruzione di sistemi per produrre energia proprio dai batteri, ottenendo delle batterie viventi nel vero senso del termine.

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Veronica Nicosia
Aspirante astronauta, astrofisica per vocazione, giornalista di professione. Laureata in Fisica e Astrofisica all'Università La Sapienza, vincitrice del Premio giornalistico Riccardo Tomassetti nel 2012 con una inchiesta sull'Hiv. Lavoro come giornalista per Blitzquotidiano e collaboro con Oggiscienza. Mi occupo di scienza, salute, tecnologia e ambiente.

2 Commenti

  1. Grazie, molto interessante, segnalo piccola imprecisione: “batteri con membrana a singola cellula,” probabilmente: “batteri con cellula a membrana singola”.

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