Dai microbi materiali viventi ingegnerizzati per un futuro migliore

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, negli Stati Uniti, hanno creato materiali viventi intelligenti ingegnerizzando microbi. Questa nuova tecnologia potrebbe servire per rilevare inquinanti nell'ambiente, ma anche per aiutare pazienti con carenze metaboliche che potrebbero trarre vantaggio dal consumo di tè fermentato

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I materiali, noti come materiali viventi ingegnerizzati (ELM), potrebbero essere utilizzati per rilevare e filtrare i contaminanti nell’acqua, per rilevare e segnalare i danni, mediante fluorescenza, e agire come “fotografie viventi”. Ma anche per aiutare persone con carenze fisiche. Vediamo come funziona esattamente questa nuova creazione.

Cosa sono gli ELM?

Questi ELM sono prodotti da una combinazione reciprocamente vantaggiosa (simbiotica) di lievito e batteri, simili a quelli che si trovano nella “madre della kombucha“, una miscela usata per preparare la bevanda di tè fermentata. È anche noto come coltura simbiotica di batteri e lieviti (SCOBY).

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Gli ELM sono stati precedentemente creati utilizzando microbi non alimentari come Escherichia coli e funghi filamentosi, ma la scalabilità, ovvero il potenziale per la tecnologia da produrre su scala più ampia, è sempre stata una sfida. Questo significa che gli ELM non sono ancora ampiamente utilizzati. Le attuali tecnologie ELM richiedono anche personale qualificato e condizioni rigorose per far crescere i microbi, ostacolando la loro accessibilità al pubblico in generale.

Il Syn-Scoby

Questo nuovo tipo di ELM risolve questi problemi prendendo ispirazione dall’approccio simbiotico naturale del kombucha SCOBY e combinando cellule di lievito geneticamente modificate con batteri produttori di cellulosa, creando un “Syn-SCOBY“.

I ricercatori hanno scoperto che la cellulosa prodotta da Syn-SCOBY funge da impalcatura che può contenere gli enzimi multifunzionali prodotti dal lievito. Questa combinazione ha portato a materiali programmabili e resistenti che erano facili da produrre su scala più ampia da miscele di zucchero economiche.

Il primo autore, Charlie Gilbert del Dipartimento di Bioingegneria dell’Imperial , ha dichiarato: “Sebbene siamo ancora lontani da un futuro in cui le persone possono coltivare a basso costo i propri sensori biologici, il nostro nuovo sistema ci fa progredire creando materiali che sono scalabili e quindi con maggiori probabilità di essere utile nel mondo reale“. I risultati di questa ricerca sono pubblicati su Nature Materials.

L’ispirazione al tè Kombucha

I ricercatori hanno creato una popolazione microbica simile a una madre kombucha, che di solito contiene uno o due ceppi di batteri e almeno due ceppi di lievito che producono cellulosa e acido acetico, che conferiscono al tè kombucha il suo sapore caratteristico.

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Molti ceppi di lievito utilizzati per la fermentazione sono difficili da modificare geneticamente, quindi i ricercatori del MIT li hanno sostituiti con il lievito di panettiere, il lievito utilizzato in tutto il mondo nei laboratori e nella produzione di pane, birra e vino. Hanno combinato questo lievito con un batterio chiamato Komagataeibacter rhaeticus, che i ricercatori imperiali avevano precedentemente isolato da una madre kombucha e che può produrre grandi quantità di cellulosa.

Programmi codificati nel DNA per creare enzimi che brillano al buio

Poiché i ricercatori hanno utilizzato un noto lievito ampiamente ingegnerizzato in biotecnologia, sono stati in grado di modificare facilmente queste cellule con programmi codificati nel DNA per creare enzimi che brillano al buio o rilasciare proteine ​​su richiesta. Il lievito potrebbe anche essere programmato per rilevare e abbattere gli inquinanti nell’ambiente.

Abbiamo utilizzato questa strategia di divisione del lavoro in modo da poterci concentrare prima sulla progettazione delle cellule di lievito ed esplorare le possibilità di vari materiali funzionali viventi“, ha affermato il Professor Tom Ellis del Dipartimento di Bioingegneria.

Nel frattempo, i batteri nella coltura producono grandi quantità di cellulosa dura che funge da impalcatura. I ricercatori hanno progettato il loro sistema in modo da controllare se il lievito stesso, o solo gli enzimi che producono, sono incorporati nella struttura della cellulosa. Ci vogliono solo pochi giorni per far crescere il materiale e, se lasciato abbastanza a lungo, può espandersi fino a occupare uno spazio grande come una vasca da bagno.

Il professor Tom Ellis ha inoltre dichiarato: “La cassetta degli attrezzi genetici per l’ingegneria di questi batteri è sottosviluppata rispetto al numero di strumenti disponibili per manipolare il DNA del lievito. Questo è il motivo per cui abbiamo utilizzato questa strategia di divisione del lavoro in modo da poterci concentrare prima sull’ingegneria delle cellule di lievito ed esplorare le possibilità di vari materiali funzionali viventi“.

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Plug and play

Poiché quasi tutte le versioni di lievito modificate in laboratorio possono essere immediatamente utilizzate per produrre materiali ispirati al kombucha, centinaia di diverse opzioni di ingegneria cellulare possono essere facilmente incorporate nel loro sistema in modo “plug and play“, ovvero “collega ed usa“.

Per dimostrare il potenziale del loro Syn-SCOBY, i ricercatori hanno testato la funzione “plug and play”. Hanno creato un materiale che incorpora il lievito che rileva l’estradiolo, un ormone che a volte si trova come inquinante ambientale. In un’altra versione, hanno usato un ceppo di lievito che produce una proteina luminosa chiamata luciferasi quando esposta alla luce blu. Questi lieviti potrebbero essere scambiati con altri ceppi che rilevano altri inquinanti, metalli o agenti patogeni.

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In un futuro le colture potrebbero utili per la salute

La coltura può essere coltivata in normali terreni di coltura del lievito, che i ricercatori hanno utilizzato per la maggior parte dei loro studi, ma hanno anche dimostrato che può crescere nel tè con lo zucchero. I ricercatori immaginano che le colture potrebbero essere personalizzate in futuro per le persone da utilizzare al di fuori dei laboratori per la coltivazione di filtri per l’acqua o altri materiali utili.

Gli studiosi affermano che molto più in là potrebbero essere utilizzati anche per integrare la salute. Ad esempio, i pazienti con carenze metaboliche potrebbero trarre vantaggio dal consumo di tè fermentato da Syn-SCOBY progettato per produrre nutrienti essenziali e rilasciare proteine ​​terapeutiche.

Fonte: https://www.imperial.ac.uk/news/212173/kombucha-inspired-microbial-mixture-lets-scientists-create/