Per la prima volta, gli scienziati dell’EPFL sono riusciti a far accettare spontaneamente ai batteri nanotubi di carbonio fluorescenti. Questa scoperta apre la strada a nuove applicazioni biotecnologiche per i procarioti, come il tracciamento dei batteri nel vicino infrarosso e il "fotovoltaico vivente", dispositivi che producono energia utilizzando batteri che raccolgono la luce.
"Abbiamo inserito i nanotubi all’interno dei batteri", spiega il professor Ardemis Boghossian della Facoltà di Scienze di Base dell’EPFL. "A prima vista non sembra molto interessante, ma in realtà è una vera e propria impresa. I ricercatori hanno collocato i nanotubi in cellule di mammifero che utilizzano meccanismi come l’endocitosi, specifici di questi tipi di cellule. I batteri, invece, non dispongono di tali meccanismi e incontrano altre difficoltà nel far passare le particelle attraverso la loro dura parete esterna. Nonostante questi ostacoli, ci siamo riusciti e questo ha implicazioni molto interessanti in termini di applicazioni".
La ricerca di Ardemis Boghossian si concentra sull’interfacciamento di nanomateriali artificiali con costrutti biologici, comprese le cellule viventi. Le tecnologie "nanobioniche" che ne derivano combinano i vantaggi del mondo vivente e di quello artificiale. Per anni, il suo team ha lavorato sulle applicazioni nanomateriali dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), tubi di atomi di carbonio con interessanti proprietà meccaniche e ottiche.
Grazie alle loro proprietà, gli SWCNT sono ideali per molte applicazioni innovative nel campo delle nanobiotecnologie. Ad esempio, le SWCNT sono state collocate all’interno di cellule di mammifero per monitorarne il metabolismo mediante immagini nel vicino infrarosso. L’inserimento delle SWCNT nelle cellule dei mammiferi ha portato anche a nuove tecnologie per la somministrazione di farmaci terapeutici ai loro bersagli intracellulari, mentre nelle cellule vegetali sono state utilizzate per l’editing del genoma. Le SWCNT sono state anche impiantate in topi vivi per dimostrare la loro capacità di rappresentare i tessuti biologici all’interno del corpo.
Nanotubi fluorescenti nei batteri: una prima
In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology, il team di Ardemis Boghossian e colleghi di tutto il mondo sono riusciti a "convincere" i batteri ad accettare spontaneamente gli SWCNT "decorandoli" con proteine cariche positivamente che sono attratte dalla carica negativa della membrana esterna dei batteri. I due tipi di batteri studiati, Synechocystis e Nostoc, appartengono a un vasto gruppo di batteri, i cianobatteri, che ottengono la loro energia attraverso la fotosintesi, come le piante. Sono anche "gram-negativi", il che significa che la loro parete cellulare è sottile e hanno una membrana esterna supplementare che i batteri "gram-positivi" non hanno.
I ricercatori hanno osservato che i cianobatteri internalizzano le SWCNT attraverso un processo passivo, dipendente dalla lunghezza e selettivo. Questo processo ha permesso alle SWCNT di penetrare spontaneamente nelle pareti cellulari sia del batterio unicellulare Synechocystis che del batterio multicellulare Nostoc.
Dopo questo successo, il team ha voluto verificare se i nanotubi potessero essere utilizzati per rappresentare i cianobatteri, come nel caso delle cellule dei mammiferi. "Abbiamo creato una configurazione personalizzata, la prima nel suo genere, che ci ha permesso di immaginare la speciale fluorescenza nel vicino infrarosso che abbiamo ottenuto con i nostri nanotubi all’interno dei batteri", spiega Ardemis Boghossian.
Alessandra Antonucci, ex dottoranda nel laboratorio di Ardemis Boghossian, aggiunge: "Quando i nanotubi sono all’interno dei batteri, è possibile vederli chiaramente, anche se i batteri emettono luce propria. Questo perché le lunghezze d’onda dei nanotubi sono molto vicine al rosso e all’infrarosso. I nanotubi forniscono un segnale molto chiaro e stabile, che non è possibile ottenere con nessun altro sensore a nanoparticelle. Siamo entusiasti perché ora possiamo usare i nanotubi per vedere ciò che accade all’interno delle cellule, che è stato difficile da immaginare usando particelle o proteine più tradizionali. I nanotubi emettono luce, cosa che nessun materiale vivente naturale può fare, non a queste lunghezze d’onda, e questo aiuta davvero a distinguere i nanotubi in queste cellule".
"Nanobionica ereditaria
Gli scienziati hanno potuto seguire la crescita e la divisione delle cellule monitorando i batteri in tempo reale. I loro risultati hanno rivelato che le SWCNT erano condivise dalle cellule figlie del microbo in divisione. "Quando i batteri si dividono, le cellule figlie ereditano i nanotubi e le loro proprietà", spiega Ardemis Boghossian. "Noi chiamiamo questa nanobionica ereditata. È come avere un arto artificiale che ti dà capacità superiori a quelle che puoi avere naturalmente. E ora immaginate che i vostri figli possano ereditare queste proprietà da voi quando nasceranno. Non solo i batteri hanno ricevuto questo comportamento artificiale, ma anche la loro progenie lo eredita. Questa è la nostra prima dimostrazione di nanobionica ereditata".
Il fotovoltaico dal vivo
"Un altro aspetto interessante è che quando collochiamo i nanotubi all’interno dei batteri, questi ultimi mostrano un miglioramento significativo nella produzione di elettricità quando vengono illuminati dalla luce", spiega Melania Reggente, borsista del gruppo di Ardemis Boghossian. "Il nostro laboratorio sta ora lavorando sulla possibilità di utilizzare questi batteri nanobionici in un fotovoltaico vivente".
Il fotovoltaico vivente è un dispositivo di produzione di energia biologica che utilizza microrganismi fotosintetici. Sebbene siano ancora nelle prime fasi di sviluppo, questi dispositivi rappresentano una soluzione concreta all’attuale crisi energetica e alla lotta contro il cambiamento climatico.
"La comunità del fotovoltaico nasconde un segreto non detto", afferma Ardemis Boghossian. "È un’energia verde, ma l’impronta di carbonio è davvero elevata: solo per produrre i pannelli fotovoltaici più convenzionali viene rilasciata una quantità significativa diCO2. Ma la cosa interessante della fotosintesi è che non solo utilizza l’energia solare, ma ha anche un’impronta di carbonio negativa. Invece di rilasciareCO2, la assorbe. Risolve quindi due problemi: la conversione dell’energia solare e il sequestro dellaCO2. E queste celle solari sono vive. Non c’è bisogno di una fabbrica per produrre ogni cellula batterica; questi batteri si autoriproducono. Assorbono automaticamente laCO2 per riprodursi di più. È il sogno di ogni scienziato dei materiali.
Ardemis Boghossian immagina un dispositivo fotovoltaico vivente basato su cianobatteri che hanno il controllo automatico della produzione di elettricità e che non dipendono dall’aggiunta di particelle estranee. "In termini di implementazione, la difficoltà è ora rappresentata dai costi e dall’impatto ambientale del posizionamento su larga scala dei nanotubi all’interno dei cianobatteri".
Con l’obiettivo di un’implementazione su larga scala, Ardemis Boghossian e il suo team si stanno rivolgendo alla biologia sintetica per trovare risposte: "Oggi il nostro laboratorio sta studiando la bioingegneria di cianobatteri in grado di produrre elettricità senza la necessità di aggiungere nanoparticelle. I progressi della biologia sintetica ci permettono di riprogrammare queste cellule affinché si comportino in modo completamente artificiale. Possiamo progettarli in modo che la generazione di elettricità sia letteralmente nel loro DNA".
Altri collaboratori
- Università di Friburgo
- Centro svizzero per l’elettronica e la microtecnica
- Università del Salento
- Università di Roma "La Sapienza
Fondazione nazionale svizzera per la scienza (FNS)
RiferimentiAlessandra Antonucci, Melania Reggente, Charlotte Roullier, Alice J. Gillen, Nils Schuergers, Vitalijs Zubkovs, Benjamin P. Lambert, Mohammed Mouhib, Elisabetta Carata, Luciana Dini, Ardemis A. Boghossian. Nature Nanotechnology 12 settembre 2022. DOI: 10.1038/s41565’022 -01198-x
