Un team di ricerca guidato dalla bioscienziata Caroline Ajo-Franklin della Rice University ha fatto una scoperta rivoluzionaria: alcuni batteri riescono a “respirare” generando elettricità. Questo processo naturale, che vede gli elettroni spinti direttamente nell’ambiente anziché utilizzare l’ossigeno per la respirazione, potrebbe aprire nuove strade per lo sviluppo di energia pulita e biotecnologie industriali.
Batteri “elettrici”: una nuova frontiera per l’energia pulita
I ricercatori, identificando il meccanismo con cui espellono gli elettroni all’esterno, hanno gettato luce su una strategia di sopravvivenza batterica finora sconosciuta. Questo lavoro, che fonde in modo innovativo la biologia e l’elettrochimica, pone le basi per future tecnologie in grado di sfruttare le capacità uniche di questi microrganismi.
“La nostra ricerca non solo risolve un mistero scientifico di lunga data, ma indica anche una nuova e potenzialmente diffusa strategia di sopravvivenza in natura“, ha affermato Ajo-Franklin, professore di bioscienze, direttore del Rice Synthetic Biology Institute e studioso del Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT).
Mentre la maggior parte degli organismi moderni si affida all’ossigeno per metabolizzare il cibo e rilasciare energia, usandolo come accettore finale di elettroni in una catena di reazioni che produce energia, i batteri hanno sviluppato altri metodi per respirare in ambienti privi di ossigeno. Essendo organismi molto più antichi di esseri umani e piante, hanno avuto il tempo di adattarsi a condizioni estreme, come quelle delle sorgenti termali sottomarine o persino dell’intestino umano.
La scoperta chiave del team riguarda l’utilizzo da parte di alcuni batteri di composti naturali chiamati naftochinoni. Questi composti permettono il trasferimento degli elettroni alle superfici esterne dei batteri. Questo processo, definito respirazione extracellulare, mima il modo in cui le batterie rilasciano corrente elettrica, consentendo ai batteri di prosperare anche in assenza di ossigeno. Questa intuizione approfondisce la nostra comprensione della bioenergetica batterica e apre scenari promettenti per applicazioni tecnologiche che sfruttino questa affascinante capacità.
Svelato il meccanismo della respirazione extracellulare batterica
Gli scienziati hanno a lungo osservato la peculiare modalità di respirazione di certi microrganismi, sfruttandola in ambito biotecnologico quasi come una “scatola nera“. Un team di ricerca guidato dalla Rice University ha finalmente svelato il meccanismo sottostante, una svolta che suggerisce come la respirazione extracellulare possa essere assai più diffusa in natura di quanto si pensasse in precedenza. Questa scoperta non solo risolve un mistero scientifico, ma apre anche nuove prospettive sulla comprensione della vita microbica.
“Questo meccanismo di respirazione appena scoperto è un modo semplice e ingegnoso per raggiungere questo obiettivo“, ha spiegato Biki Bapi Kundu, dottorando alla Rice e primo autore dello studio. Ha aggiunto che i naftochinoni agiscono come veri e propri corrieri molecolari, trasportando gli elettroni fuori dalla cellula. Questo processo permette ai batteri di scomporre il cibo e generare energia, dimostrando un’efficienza metabolica notevole in ambienti privi di ossigeno. La loro capacità di trasferire elettroni all’esterno è fondamentale per la loro sopravvivenza e crescita.
Per validare i loro risultati, i ricercatori della Rice hanno collaborato con il laboratorio Palsson dell’Università della California, San Diego. Hanno utilizzato modelli computerizzati avanzati per simulare la crescita batterica in ambienti privi di ossigeno ma ricchi di superfici conduttive. Le simulazioni hanno rivelato che i batteri potevano effettivamente sostentarsi scaricando elettroni esternamente, confermando le ipotesi iniziali.
Ulteriori test di laboratorio hanno poi fornito la prova definitiva: i microrganismi posizionati su materiali conduttivi non solo continuavano a crescere, ma generavano attivamente elettricità, respirando in modo efficace attraverso la superficie. Questo approccio interdisciplinare ha notevolmente approfondito la comprensione della versatilità del loro metabolismo, rivelando anche un metodo in tempo reale per monitorare e influenzare elettronicamente il loro comportamento.
Dalle biotecnologie all’energia del futuro
Questa scoperta fondamentale ha implicazioni pratiche di vasta portata, aprendo scenari promettenti in diversi settori. Processi biotecnologici cruciali, come il trattamento delle acque reflue e la biofabbricazione, potrebbero essere significativamente migliorati grazie a una gestione più efficace degli squilibri elettronici. I batteri capaci di “espirare” elettricità potrebbero correggere questi squilibri, mantenendo i sistemi più efficienti e sostenibili nel tempo. Si prospetta un futuro in cui la biologia sia sempre più integrata nelle soluzioni tecnologiche per affrontare sfide ambientali e industriali.
“Il nostro lavoro getta le basi per sfruttare l’anidride carbonica attraverso l’elettricità rinnovabile, dove i batteri funzionano in modo simile alle piante grazie alla luce solare nella fotosintesi“, ha affermato Ajo-Franklin. Questa visione suggerisce un futuro in cui i microrganismi potrebbero convertire la CO2 in prodotti utili, utilizzando energia elettrica pulita, replicando l’efficienza della natura su scala industriale. Questo “ciclo del carbonio” assistito da batteri aprirebbe le porte a tecnologie più intelligenti e sostenibili, con la biologia al centro dell’innovazione.
La tecnologia potrebbe anche abilitare l’uso di sensori bioelettronici in ambienti privi di ossigeno. Questo offre strumenti innovativi per settori cruciali come la diagnosi medica, consentendo analisi più precise in contesti anaerobici. Allo stesso modo, il monitoraggio dell’inquinamento potrebbe beneficiare di sensori più sensibili e specifici, capaci di rilevare contaminanti anche in condizioni difficili. Infine, l’esplorazione del Deep Space potrebbe avvalersi di questi sensori per rilevare tracce di vita o analizzare composizioni ambientali in atmosfere aliene prive di ossigeno, spingendo i confini della nostra conoscenza dell’Universo.
Lo studio è stato pubblicato su Cell.
