Batteri geneticamente modificati per la produzione di filtri solari “bio”

Con l’estate ormai alle porte si inizia a pensare alle vacanze al mare e alla immancabile tintarella!

Per godersi al meglio le vacanze senza il pensiero di scottature ed eritemi è fondamentale proteggere la pelle dalle radiazioni ultraviolette mediante l’utilizzo di filtri solari.

Il riconoscimento che le radiazioni UV hanno effetti nocivi sulla pelle ha portato allo sviluppo di composti inorganici e organici di sintesi da utilizzare a tale scopo.

Filtri inorganici ed organici per la pelle

I composti inorganici comprendono ossidi di metalli come biossido di titanio (TiO2) e ossido di zinco (ZnO) che agiscono creando un vero e proprio “schermo” fisico che riflette la luce; essi respingono sia le radiazioni UVA che quelle UVB.

A differenza dei composti inorganici che agiscono da filtri fisici, i composti organici sono un gruppo di molecole che assorbono le radiazioni UV piuttosto che rifletterle. Tra i più utilizzati ricordiamo il butil metossidibenzoilmetano (BM-DBM), l’etilesilmetossicinnamato (EHMC) e l’octocrylene (OCR) (Fig. 1).

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Figura 1 – Struttura di BM-DBM, EHMC e OCR.

Effetti nocivi per la salute

Sebbene le molecole di sintesi impiegate nelle creme solari abbiano proprietà benefiche, esse presentano effetti collaterali negativi per la salute umana in quanto tali sostanze mimano l’azione degli ormoni estrogeni determinando squilibri nel sistema endocrino (estrogenicità) e possono provocare reazioni cutanee nelle pelli più sensibili (sensibilità da contatto).

In aggiunta, quando facciamo il bagno, queste molecole finiscono in mare e nei corsi d’acqua dove possono accumularsi provocando danni anche considerevoli; sono infatti tossici per gli organismi acquatici e contribuiscono allo sbiancamento dei coralli.

Filtri solari da fonti biologiche

Negli ultimi anni si è quindi assistito ad un crescente interesse nello sfruttare per la produzione di filtri solari da fonti biologiche alternative quali i cianobatteri e le macroalghe.

I cianobatteri (Fig. 2) sono un gruppo eterogeneo di batteri foto-sintetici ampiamente utilizzati per applicazioni biotecnologiche in agricoltura, maricoltura e per la produzione di biocarburanti.

L'origine dei cianobatteri e dell'ossigeno terrestre

Figura 2 – Cianobatteri (fonte: Doc. RNDr. Josef Reischig, CSc.)

La caratteristica più interessante dei cianobatteri è la loro abilità di contrastare gli effetti dei raggi UV mediante una serie di meccanismi di protezione e riparazione (Fig. 3). Un meccanismo chiave è la sintesi di molecole come gli amminoacidi simili alla micosporina (MAA) tra cui la shinorina e la scitonemina.

Figura 3 – Strategie usate dai cianobatteri per contrastare gli effetti dei raggi UV.

Gli aminoacidi simili alla micosporina (MAA) sono metaboliti secondari a basso peso molecolare (<400 Da) che presentano una forte attività di assorbimento di ultravioletti nel range di lunghezza d’onda tra 310 e 362 nm e si comportano da filtri solari biologici per contrastare gli effetti dannosi delle radiazioni UV in natura. Gli effetti protettivi degli MAA contro i danni al DNA sono imputabili alla loro capacità di bloccare la formazione dei dimeri di timina provocata dai raggi UV (Misonou et al. 2003).

L’aminoacido Shinorina (Fig. 4), simile alla micosporina, è utilizzato come un ingrediente chiave per creme solari ecofriendly. La shinorina commercialmente usata è isolata da una alga rossa che viene generalmente raccolta in natura e che purtroppo non è sempre disponibile a causa di avverse condizioni ambientali o climatiche o da alghe coltivate che impiegano un anno per crescere ed hanno lunghi tempi di lavorazione.

Figura 4 – Struttura della Shinorina

Trasformazioni geniche per la produzione di Shinorina

Per ovviare a tali problemi un team di ricercatori dell’università della Florida ha inserito il gene responsabile della produzione di shinorina in alcuni cianobatteri, che quindi sono in grado di produrre la sostanza direttamente. Nell’articolo Photosynthetic Production of Sunscreen Shinorine Using an Engineered Cyanobacterium pubblicato su ACS Synthetic Biology è descritto l’uso di Synechocystis sp. PCC6803 come host per la produzione eterologa di shinorina. Il team guidato da Yousong Ding ha scelto un ceppo di cianobatteri chiamato Synechocystis già utilizzato per produrre biocarburanti.

I ricercatori hanno isolato i cluster genetici responsabili della produzione della shinorina dal cianobatterio filamentoso Fischerella sp. PCC9339 che la produce naturalmente e hanno poi inserito quei geni nelle cellule di Synechocystis osservandone la formazione con la tecnica LC-MS.

All’inizio, i batteri geneticamente modificati producevano la shinorina con una produttività tre volte inferiore rispetto alle alghe, quindi i ricercatori hanno aggiunto speciali sequenze di DNA chiamate “promotori” aumentando di 10 volte la produzione di shinorina fino ad un valore di 2,37 mg/g di cianobatteri, una quantità commercialmente sfruttabile.

Nonostante si tratti di batteri ingegnerizzati i ricercatori concludono che «Questa tecnica potrebbe portare a un metodo eco-compatibile e conveniente per produrre la shinorina e potrebbe anche essere estesa per produrre altri prodotti cianobatterici».

In questo modo questi batteri, che per sopravvivere richiedono solo i raggi solari, l’anidride carbonica e alcuni nutrienti di base, potrebbero essere utilizzati su scala industriale e a costi accessibili per la produzione di filtri solari più sicuri per la pelle e l’ambiente e diventare così una valida alternativa bio ai filtri solari sintetici oggi in commercio.

Fonti

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