I batteri della Solfatara contro i pesticidi: Nuove strategie per il biorisanamento ambientale

I batteri appartenenti alla specie Sulfolobus solfataricus sono stati isolati per la prima volta nella Solfatara di Pozzuoli che è uno dei quaranta vulcani che costituiscono i Campi Flegrei e da cui successivamente hanno preso il nome. Queste specie crescono a temperature intorno a 80°C, a pH tra 2 e 4 e in presenza di zolfo che metabolizzano per produrre energia necessaria al loro sostentamento. Negli ultimi anni l’attenzione della comunità scientifica si è focalizzata sulle potenzialità di alcuni di questi batteri di produrre enzimi che degradano pesticidi organofosfati (OPs). Gli OPs sono la più grande classe di insetticidi utilizzati in tutto il mondo e alcuni di essi sono potenti agenti nervini. Enzimi che degradano gli OPs sono di enorme interesse industriale, poiché potenzialmente utilizzabili come bio- scavengers e bio-decontaminanti. Al fine di realizzare un catalizzatore per la degradazione di OPs, una fosfotriesterasi termostabile è stata isolata da Sulfolobus solfataricus ed espressa in Escherichia coli mediante tecniche di ingegnerizzazione genetica. Questa ceppo è stato quindi utilizzato per lo sviluppo di un processo di produzione biotecnologica di fosfotriesterasi per via fermentativa.

Organofosfati e fosfotriesterasi: come funzionano?

Le fosfotriesterasi sono degli enzimi appartenenti alla classe delle idrolasi, ovvero enzimi in grado di operare reazioni di scissione di molecole in due o più componenti per effetto dell’acqua. In particolare le fosfotriesterasi isolate da Sulfolobus solfataricus sono in grado di idrolizzare molecole complesse in corrispondenza di legami fosfo-esterei presenti in substrati quali ad esempio il Dietil 4-nitrofenilfosfato (Paraoxon). Il Paraoxon è un noto insetticida e rappresenta il metabolita attivo dell’agrofarmaco Parathion. Gli OPs sono sostanze che vanno a bloccare l’enzima acetilcolinesterasi, responsabile della secrezione e del re-uptake dell’ acetilcolina (Ach) nello spazio intersinaptico delle cellule nervose (Fig.1).

Fig.1 Ciclo di secrezione e re-uptake dell’acetilcolina

Il Parathion, come tale, non riesce ad interagire con il sito enzimatico dell’acetilcolinesterasi, per cui necessita di un’attivazione o bioattivazione da parte degli enzimi epatici, per trasformarsi in Paraoxon. Questi composti sono molto lipofili ma non sono considerati teratogeni e/o cancerogeni. Il contatto con l’organismo avviene principalmente per via orale, per via inalatoria e cutanea e gli effetti tossici che si manifestano in seguito ad intossicazione acuta sono nel caso più grave contrazione involontaria dei muscoli scheletrici che conduce alla paralisi e in casi estremi alla morte. Quando la fosfotriesterasi si trova in presenza di Paraoxon opera un taglio idrolitico determinando la scissione dell’insetticida in due composti meno tossici il dietilfosfato e il para-nitrofenolo e la formazione di un prodotto cromoforo di colore giallo intenso. (Fig.2).

Fig.2 Reazione di idrolisi del Paraoxon ad opera delle fosfotriesterasi

Quindi strategie di produzione per via biotecnologica su larga scala di questi enzimi con tecniche che ne consentano la conservazione per lungo tempo in forma attiva potrebbe rivoluzionare radicalmente l’approccio convenzionale con il quale si contrasta la diffusione di questi pesticidi nell’ambiente ma soprattutto renderli fruibili a tutti e a livello casalingo come nel trattamento della frutta e verdura contaminata da pesticidi oppure nella decontaminazione di materiali quali vetro, cotone e linoleum (Fig.3).

Fig.3 Esempio di decontaminazione di frutta

 

Fonti

  • Del Giudice I, Coppolecchia R, Merone L, Porzio E, Carusone TM, Mandrich L, Worek Fand Manco G.An efficient thermostable organophosphate hydrolase and its application in pesticide decontamination. Biotechnology and Bioengineering. 2015
  • Restaino OF, Borzacchiello MG, Scognamiglio I, Porzio E, Manco G, Fedele L, Donatiello C, De Rosa M, Schiraldi C. Boosted large‐scale production and purification of a thermostable archaeal phosphotriesterase‐like lactonase for organophosphate decontamination. J Ind Microbiol Biotechnol. 2017

Sono Dottore di ricerca in Scienze Biochimiche e Biotecnologiche. Appassionata di microbiologia, collaboro a progetti di ricerca finalizzati all’utilizzo dei batteri per la produzione di molecole biologicamente attive di interesse farmaceutico ed applicativo

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