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- Posted By: Capuano Edoardo
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Gli scienziati della UC Berkeley hanno scoperto che un comune batterio, la Listeria monocytogenes, produce elettricità.
I batteri che producono elettricità sono stati individuati nelle miniere e nei fondali dei laghi. Gli scienziati non si sono accorti che esiste una fonte molto più a portata di mano: l'intestino umano.
Gli scienziati della UC Berkeley hanno scoperto che un comune batterio responsabile della diarrea, la Listeria monocytogenes, produce elettricità con una modalità completamente diversa rispetto ai più noti batteri elettrogeni e che centinaia di altre specie batteriche usano il medesimo processo.
Molti di questi batteri, produttori di elettricità, fanno parte del microbioma intestinale umano ma anche molti altri producono elettricità. Essi sono: gli insetti patogeni che causano la listeriosi, una malattia di origine alimentare che può anche causare aborti; I batteri che causano la cancrena (Clostridium perfringens); i batteri che provocano le infezioni contratte in ospedale (Enterococcus faecalis); alcuni batteri che provocano malattie da streptococco; altri batteri elettrogeni, come i lattobacilli. Questi ultimi sono importanti nella fermentazione dello yogurt e di molti probiotici.
Il dottor Dan Portnoy,(1) professore universitario di Berkeley nel settore molecolare nell'ambito della biologia cellulare, vegetale e microbica, sostiene: "L'interazione di una moltitudine di insetti con gli esseri umani, come i patogeni, i probiotici, nel nostro microbiota o coinvolti nella fermentazione di prodotti umani, sono elettrogenici. L'appofondimento del loro studio potrebbe dare alla scienza delle preziose informazioni su come questi batteri ci infettano o ci aiutino ad avere un intestino sano".
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature.(2)
Questi batteri "respirano" ferro o manganese
I batteri generano elettricità per la stessa ragione per cui respiriamo ossigeno: per rimuovere gli elettroni prodotti durante il metabolismo e sostenere la produzione di energia. Mentre gli animali e le piante trasferiscono i loro elettroni all'ossigeno all'interno dei mitocondri di ogni cellula, i batteri in ambienti senza ossigeno - inclusi il nostro intestino, ma anche i tini di fermentazione di alcol e formaggio e miniere acide - devono trovare un altro accettore di elettroni. In ambienti geologici, dove trattasi spesso di un minerale - ferro o manganese, per esempio - fuori dalla cella. In un certo senso, questi batteri "respirano" ferro o manganese.
Il trasferimento di elettroni dalla cellula a un minerale richiede una cascata di speciali reazioni chimiche, la cosiddetta catena di trasferimento di elettroni extracellulari che trasporta gli elettroni come una piccola corrente elettrica. Alcuni scienziati hanno sfruttato questa catena per fabbricare una batteria: collegando un elettrodo in una fiaschetta di questi batteri si può generare elettricità.
Il sistema extracellulare di trasferimento di elettroni appena scoperto è in realtà più semplice della già nota catena di trasferimento e sembra essere usato dai batteri solo quando necessario, forse quando i livelli di ossigeno sono bassi. Finora, questa più semplice catena di trasferimento di elettroni è stata trovata in batteri con una singola parete cellulare - microbi classificati come batteri Gram-positivi - che vivono in un ambiente pieno di flavina, i derivati della vitamina B2.
"Sembra che la struttura cellulare di questi batteri e la nicchia ecologica ricca di vitamine che occupano rende molto più facile e più economico trasferire gli elettroni dalla cellula", ha detto il primo autore il dottor Sam Light,(3). "Quindi, pensiamo che i batteri che respirano i minerali studiati in modo convenzionale stiano usando il trasferimento extracellulare di elettroni perché è cruciale per la sopravvivenza, mentre questi batteri recentemente identificati lo stanno usando sbitualmente.
Per verificare quanto sia efficace questo sistema, Sam Light ha collaborato con Caroline M. Ajo-Franklin(4) del Lawrence Berkeley National Laboratory, che esplora le interazioni tra microbi viventi e materiali inorganici per possibili applicazioni nella cattura e sequestro del carbonio e nella generazione di energia bio-solare. Si è servita di un elettrodo per misurare la corrente elettrica che scorre dai batteri - fino a 500 microampere - confermando che è effettivamente elettrogenico. Di fatto, producono la stessa elettricità - circa 100.000 elettroni al secondo per cella - di quella prodotta dai più noti batteri elettrogenici.(5)
La luce è particolarmente alterata dalla presenza di questo sistema nei Lactobacillus, batteri fondamentali per la produzione di formaggio, yogurt e crauti. Questo processo potrebbe suggerire che il trasporto degli elettroni ha un ruolo nel gusto del formaggio e dei crauti. "Questa è una parte importante della fisiologia dei batteri di cui la gente non si è resa conto e che potrebbe essere potenzialmente manipolata", ha detto Sam Light.
Sam Light e Daniel Portnoy hanno molti altri quisiti su come e perché questi batteri hanno sviluppato un sistema così unico. Semplicità: è più facile trasferire gli elettroni attraverso una parete cellulare piuttosto che attraverso due. Opportunità: sfruttare le ubiquitarie molecole di flavina per sbarazzarsi degli elettroni sembra aver permesso a questi batteri di trovare un modo per sopravvivere non solo in ambienti ricchi di ossigeno ma anche in quelli scarsi di ossigeno.
Altri coautori sono i dottori Lin Su e Jose A. Cornejo di Berkeley Lab e i dottori Rafael Rivera-Lugo, Alexander Louie e Anthony T. Iavarone di UC Berkeley. La ricerca è stata finanziata dal National Institute of Allergy and Infectious Diseases del National Institutes of Health e dall'Ufficio di ricerca navale.
Riferimenti:
(1) Daniel Portnoy
(2) A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria
(3) Sam Light
(5) The electrifying energy of gut microbes
Descrizione foto: i batteri di Listeria trasportano gli elettroni attraverso la loro parete cellulare nell'ambiente come minuscole correnti, assistiti da molecole di flavina ubiquitarie (punti gialli). (Grafica di Amy Cao, copyright UC Berkeley)
Autore: Edoardo Capuano