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Batteri ingegneristici per raccogliere la luce
Batteri di laboratorio comunemente usati chiamati E. coli possono essere convertiti in organismi che raccolgono la luce in un unico passaggio genetico, secondo una nuova ricerca del MIT. Il potenziamento genetico consente ai microrganismi che normalmente derivano la loro energia cellulare dagli zuccheri di passare a una dieta di luce solare. Questi risultati potrebbero infine essere utilizzati per ingegnerizzare geneticamente i batteri in grado di produrre in modo più efficiente biocarburanti, farmaci e altre sostanze chimiche.
Batteri illuminati: E. coli ingegnerizzato per esprimere la proteina proteorodopsina sono raffigurati sopra sotto luce fluorescente. Quando attivata dalla corretta lunghezza d'onda della luce, la proteina alimenta il motore flagellare della cellula, permettendogli di muoversi. In questo caso, la proteina assorbe la luce verde: quando la luce verde viene puntata sul batterio, questo si muove (riga in basso). Quando la luce rossa è accesa, rimane ferma (riga in alto).
Alcuni batteri, come i cianobatteri, usano la fotosintesi per produrre zuccheri, proprio come fanno le piante. Ma altri hanno una capacità recentemente scoperta di raccogliere la luce attraverso un meccanismo diverso: utilizzando proteine attivate dalla luce note come proteorodopsine, che sono simili alle proteine che si trovano nelle nostre retine. Quando la proteina è legata a una molecola sensibile alla luce chiamata retinale e colpita dalla luce, pompa protoni carichi positivamente attraverso la membrana cellulare. Ciò crea un gradiente elettrico che funge da fonte di energia, proprio come la tensione, o forza elettromotrice, fornita dalle batterie.
Scoperti per la prima volta negli organismi marini nel 2000, gli scienziati hanno recentemente scoperto che i geni per il sistema della proteorodopsina, essenzialmente un modulo genetico che include i geni che codificano sia per la proteina che per gli enzimi necessari per produrre retina, vengono spesso scambiati tra diversi microrganismi nell'oceano . (Mentre di solito pensiamo che i geni vengano trasmessi dal genitore alla prole, i microrganismi possono scambiare frammenti di DNA lateralmente.)
Incuriositi dalla prospettiva che un singolo pezzo di DNA sia davvero tutto ciò di cui un organismo ha bisogno per raccogliere energia dalla luce, i ricercatori lo hanno inserito in E. coli . Hanno scoperto che i microrganismi hanno sintetizzato tutti i componenti necessari e li hanno assemblati nella membrana cellulare, utilizzando il sistema per generare energia. Tutto ciò che serve per ricavare energia dalla luce solare è quel pezzetto di DNA, dice Ed Delong , professore di ingegneria biologica al MIT e autore dello studio. I risultati sono stati pubblicati la scorsa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
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Guarda un video di un batterio illuminato.
I risultati hanno implicazioni sia per l'ecologia marina che per la biologia sintetica, un campo emergente che mira a progettare e costruire nuove forme di vita in grado di svolgere funzioni utili. Studi genomici giganti dell'oceano hanno scoperto che il sistema della rodopsina è sorprendentemente diffuso. Il fatto che un singolo trasferimento di geni possa portare a una funzionalità completamente nuova aiuta a spiegare come questo modulo genetico abbia viaggiato così ampiamente. In effetti, per i microbi, questo tipo di scambio di moduli può essere la regola piuttosto che l'eccezione. In microbiologia sta emergendo un nuovo paradigma: [i microrganismi] sono molto più fluidi di quanto pensassimo, afferma Ford Doolittle , Canada Research Chair in genomica comparata presso la Dalhousie University, in Nuova Scozia.
Questi risultati e altre ricerche sulle proteorodopsine potrebbero fornire agli ingegneri biologici un nuovo strumento con cui armeggiare. Un articolo pubblicato il mese scorso da Jan Liphardt e colleghi dell'Università della California, Berkeley, hanno dimostrato che E. coli progettato per avere una pompa proteorodopsina può facilmente passare da una fonte di energia all'altra: quando i batteri sono affamati della loro regolare fornitura di energia, usano l'energia della luce per azionare il loro motore flagellare, una coda rotante che i batteri usano per nuotare. Più luce c'è, più veloce va il motore.
Le pompe di rodopsina potrebbero alla fine essere progettate nei microbi comunemente usati per produrre farmaci e altre sostanze chimiche. Queste fabbriche batteriche a volte sono a corto di energia. Usando queste pompe protoniche guidate dalla luce, i batteri possono essere energizzati dalla luce per aumentare la loro produzione di metaboliti o sostanze farmacologicamente attive, afferma John L. Spudich , professore di microbiologia e genetica molecolare presso la University of Texas Medical School, a Houston. Un aumento dell'energia cellulare potrebbe rivelarsi particolarmente utile con l'ultima tendenza nella produzione di batteri: l'ingegneria dei microbi per produrre biocarburanti.
È un po' come creare un'auto ibrida, dice il MIT Delong . Invece di integrare il gas con l'energia immagazzinata in una batteria, le cellule possono integrare il loro metabolismo energetico con la luce.