Fotografie batteriche – prospettive della biologia sintetica

Dove la scienza incontra la fantasia e l’immaginazione – la biologia sintetica.

Sicuramente, dopo aver letto il titolo di questo articolo, penserete che le vostre Polaroid non vadano più di moda.

Per quanto possa risultare difficile immaginare, una connessione tra cellule batteriche e fotografie esiste eccome, ve lo garantisco. Non dimentichiamo, infatti, che dalla biologia sintetica possiamo aspettarci di tutto e che, spesso, i principali limiti da superare sono proprio la nostra fantasia, creatività ed immaginazione.

Ma cosa si intende esattamente per biologia sintetica?    

La biologia sintetica rappresenta l’utilizzo dell’ingegneria genetica per creare nuovi sistemi biologici artificiali partendo da parti biologiche preesistenti, definite anche biobricks (mattoni biologici).

Quest’ultime comprendono promotori, enhancer, operatori, riboswitch, interruttori ad RNA, proteine regolatorie, domini enzimatici, ricettori di segnale, ecc. La biologia sintetica quindi, grazie alla multidisciplinarietà che la contraddistingue, progetta come collegare i biobricks in diverse combinazioni ottenendo comportamenti o tratti complessi.

È possibile sia fabbricare componenti e sistemi biologici non ancora esistenti in natura, sia riprogettare e migliorare sistemi già presenti, rendendoli utili nell’ambito della ricerca ed in applicazioni industriali di vario genere.

Ammettetelo, ora molti di voi si sentiranno in un film della Marvel, immersi in un mondo fantascientifico dominato da strani organismi artificialmente creati in laboratorio. Non per fare la guastafeste, ma è giunto il momento di tirarvi un pizzicotto e tornare alla realtà, ho diverse cose interessanti di cui parlarvi. 

Realizzazione del primo batterio autoreplicante nell’istituto di J. Craig Venter in California (USA) 

Altro che giganti creature mostruose stile Netflix; una delle maggiori imprese realizzate dalla Biologia sintetica è stata la creazione di un nuovo microrganismo. 

E come ci sono riusciti? 

Mediante la sintesi artificiale di un genoma di 1.08 milioni di paia di basi, ricostruito a partire dalla sequenza genomica del batterio Mycoplasma mycoides, che è stato in seguito sostituito nel cromosoma nativo di un altro batterio, Mycoplasma capricolum. Il nuovo microrganismo, nonostante sia stato creato da cellule di M. capricolum, presentava tutte le proprietà originariamente identificate in M. mycoides.                                                            

Ma cosa c’entrano quindi in tutto questo le fotografie? 

I nuovi microrganismi una volta creati si fanno dei selfie per verificare che siano usciti bene?  Ma anche no. 

L’applicazione più affascinante della biologia sintetica è l’utilizzo di batteri per produrre ritratti e fotografie 

I ricercatori del Dipartimento di Fisica, in collaborazione con il Dipartimento di Biologia e l’istituto di Nanotecnologie del Cnr, hanno dimostrato che è possibile utilizzare i batteri (in particolare Escherichia Coli, prezzemolo in ogni minestra visto che è praticamente ovunque) come vernice vivente per dipingere ritratti con la luce.

Ovviamente nulla che si possa incorniciare ed appendere in camera, in quanto si tratta di dipinti davvero microscopici. Per cui se state pensando di aver trovato il fotografo giusto per la vostra laurea o il vostro matrimonio, mi dispiace ma E. Coli non fa al caso vostro.  

Diversi batteri sono in grado di percorrere distanze pari a 10 volte la loro lunghezza in meno di un secondo.  Beati loro, sicuramente non hanno mai perso un treno o fatto ritardo.

Ma come fanno?

Alcuni microrganismi oceanici utilizzano la luce come fonte di energia per il movimento, grazie ad una proteina detta Proteorodopsina, presente sulla superficie cellulare ed in grado di catturare la luce. In queste cellule, maggiore sarà l’intensità luminosa e più rapido sarà il movimento e viceversa.

Ma quindi, se non pagassero la bolletta dell’ENEL gas e luce, i batteri si fermerebbero? Mettendo da parte le battute (mio malgrado), i ricercatori hanno osservato come questi batteri si accumulino nei punti in cui lo spazio di movimento è ridotto.

Ed è proprio sfruttando questa caratteristica, quindi disponendo i batteri nella maniera più opportuna, che sono riusciti ad ottenere immagini davvero stupefacenti; addirittura troviamo riproduzioni miniaturizzate della Monna Lisa, di Albert Einstein e del viso di Francesco Totti ( per la gioia dei suoi fans). 

Come ottenere fotografie batteriche sfruttando il sistema a due componenti EnvZ-OmpR

Esiste anche un’altra procedura utilizzata per ottenere fotografie batteriche, che ha suscitato in me un forte interesse durante le meravigliose lezioni di Microbiologia all’Università. In questa metodica le cellule di E.Coli vengono geneticamente ingegnerizzate utilizzando componenti provenienti da Cianobatteri e da E.Coli stesso. Questo approccio richiede la Biologia sintetica di tre moduli genetici: 

1. Un rilevatore di luce ed un modulo di segnalazione;
2. Una via metabolica che converta l’eme già presente in E. coli, nel pigmento ficocianobilina (pigmento antenna accessorio dei cianobatteri);
3. Un enzima in grado di produrre un pigmento scuro, e codificato da un gene la cui trascrizione può essere accesa o spenta.

Batteri e luce

ll rilevatore di luce è una proteina di fusione la cui metà esterna è la parte di proteina del fitocromo del cianobatterio Synechocystis che rivela la luce. Questo costrutto richiede la presenza di ficocianobilina, la quale non viene naturalmente prodotta da E.coli. Da qui la necessità di introdurre anche la via biosintetica per produrre questo pigmento.

La metà interna invece è il dominio di trasmissione del segnale della proteina sensore EnvZ di E.coli . Solitamente quest’ultima fa parte di un sistema di regolazione a due componenti, insieme alla proteina OmpR che lega il DNA. Al buio questa proteina viene attivata mediante fosforilazione, mentre la luce rossa converte il sensore in uno stato in cui la fosforilazione è inibita.

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Quando OmpR è attivata (quindi al buio), si lega al promotore del gene bersaglio, favorendone l’espressione. Il gene in questione è LacZ, il quale codifica per l’enzima β galattosidasi in grado di scindere il disaccaride lattosio. Al buio LacZ è attivo, quindi l’enzima viene prodotto e va a tagliare un analogo del lattosio presente nel mezzo di coltura e denominato X-gal, rilasciando galattosio ed un colorante nero.

Invece in presenza di luce LacZ non è espresso, per cui la β galattosidasi non viene prodotta e non si ha rilascio del pigmento nero. Quindi come si ottengono effettivamente le fotografie? I batteri ingegnerizzati vengono fatti crescere come un tappeto (non quello che utilizzate in casa per non far bagnare il pavimento) su piastre di terreno agarizzato contenente X-gal.

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Quando si proietta un’immagine su questo tappeto di cellule, i batteri al buio producono il pigmento scuro che non è invece prodotto dai batteri esposti alla luce. Il risultato è una primitiva fotografia dell’immagine proiettata. 

Richiamando quanto detto all’inizio dell’articolo, potete tirare un sospiro di sollievo: le vostre amate Polaroid non sono assolutamente fuori moda, per cui non dovrete rinunciarvi. Continuate pure a portarle con voi in ogni avventura, in ogni viaggio e ad immortalare ogni momento speciale della vostra vita. Le colture ricombinanti di E.coli infatti non sostituiranno mai le fotocamere digitali. 

Ma allora qual è l’utilità delle fotografie batteriche?

In realtà l’intento dei ricercatori non era certamente quello di ottenere dei ritratti. La possibilità di guidare il movimento dei batteri utilizzando la luce può essere sfruttata per la ricostruzione di tessuti o per la somministrazione di farmaci in loco. L’obiettivo è quindi quello di comprendere come le componenti ingegnerizzate possano funzionare in sistemi biologici in vivo. Questo permetterà di raggiungere livelli ancora più complessi di Biologia sintetica con future ricadute applicative per la risoluzione di problemi urgenti in campo medico, agricolo ed ambientale. 

Per concludere, considerando che tra i diversi ritratti in miniatura, ottenuti con E.coli, ho citato anche quello di Albert Einstein, non posso perdere l’occasione di terminare questo articolo con una sua splendida citazione:

“La più bella e profonda emozione che possiamo provare è il senso del mistero; sta qui il seme di ogni arte, di ogni vera scienza.”

Fonti

Breve definizione da Wikipedia

Sito dell’Università di Roma “La Sapienza”

Libro universitario BROCK-Microbiologia dei microrganismi; Casa editrice Pearson; autori Daniel H. Buckley, David A. Stahl, John m. Martinko, Kelly S. Bender e Michael T. Madigan.