Bacillus subtilis: una cell factory universale per l’industria, l’agricoltura, i biomateriali e la medicina

Condividi l'articolo di Microbiologia Italia:

Grazie alla sua versatilità genomica e metabolica, il batterio Bacillus subtilis è un sistema modello per la produzione di proteine, molecole di chimica fine e antibiotici

Caratteristiche del Bacillus subtilis

Il Bacillus subtilis (Fig. 1), definito anche “bacillo del fieno” o “bacillo dei pascoli”, è un batterio Gram-positivo appartenente al genere Bacillus. Esso è comunemente presente nel suolo e non è patogeno per l’uomo.

Immagine al microscopio ottico di cellule del batterio Bacillus subtilis.
Figura 1 Immagine al microscopio ottico di cellule del batterio Bacillus subtilis.

L’ampia conoscenza del suo genoma e di tecniche di manipolazione del DNA e dei pathway metabolici lo hanno reso, nel tempo, un microorganismo notevolmente versatile, nonché modello per innumerevoli studi di ingegneria genetica, metabolica e computazionali.

In termine di “popolarità” come organismo modello di laboratorio, B. subtilis è spesso utilizzato come l’equivalente Gram-positivo dell’Escherichia coli, un batterio Gram-negativo ampiamente studiato.

Il concetto di “microbial cell factory

Una “cell factory” è una cellula ingegnerizzata in modo tale da riprodurre, su scala micrometrica, un processo di produzione industriale, ossia la trasformazione di una materia prima in un prodotto a più alto valore.

Grazie ai costanti avanzamenti scientifici nell’ambito dell’ingegneria genetica è sempre più “semplice” ingegnerizzare una cellula per farle acquisire delle caratteristiche che possono risultare vantaggiose per gli scopi umani.

Infatti, la biocatalisi, ossia la trasformazione di un reagente in un prodotto ad opera di una cellula intera o di enzimi isolati, è un approccio che sta prendendo sempre più piede nel settore chimico-farmaceutico. Questo perché moltissime molecole biologicamente attive (soprattutto quelle dotate di una complessa struttura chimica) sono impossibili da ottenere mediante sintesi chimica o, anche nel caso in cui lo fossero, il loro processo di produzione sarebbe molto costoso e/o potrebbe richiedere dei solventi/reagenti tossici per l’uomo o inquinanti per l’ambiente.

L’esempio migliore di tale concetto è la produzione dell’insulina, ad oggi implementata su scala industriale grazie ad un batterio ingegnerizzato in cui è stato inserito il gene codificante la proteina in questione. Sintetizzare chimicamente l’intera catena polipeptidica sarebbe possibile, ma il processo sarebbe troppo costoso e lungo.

Bacillus subtilis: un esempio di cell factory

B. subtilis presenta innumerevoli applicazioni nel campo industriale, nell’agricoltura, nelle scienze dei biomateriali, in medicina ed in chimica farmaceutica (Fig. 2).

Rappresentazione schematica delle innumerevoli applicazioni della specie Bacillus subtilis come cell factory.
Figura 2 Rappresentazione schematica delle innumerevoli applicazioni della specie Bacillus subtilis come cell factory.

Ad esempio, esso è utilizzato come inoculante nel suolo in orticoltura e agricoltura. Inoltre, il ceppo QST 713 di B. subtilis presenta un’attività fungicida naturale ed è impiegato come agente di controllo biologico.

Dal punto di vista industriale, alcuni enzimi prodotti da B. subtilis sono ampiamente utilizzati come additivi ad attività biologica pulente nei detersivi per bucato. Inoltre, i ceppi ricombinanti pBE2C1 e pBE2C1AB sono stati utilizzati nella produzione di poliidrossialcanoati (PHA), uno dei biopolimeri alla base delle bioplastiche del futuro, utilizzando come fonte di carbonio a basso costo i rifiuti di malto. Ciò favorisce l’abbattimento dei costi di produzione su scala industriale e l’aumento della competitività economica dei prodotti a base biologica rispetto a quelli di origine fossile inquinanti.

Sempre in processi di biotecnologie industriali, il B. subtilis è utilizzato per produrre l’amilasi, uno degli enzimi più utilizzati al mondo in processi industriali per la depolimerizzazione dell’amido in zuccheri semplici.

Nel settore farmaceutico, tale batterio è utilizzato per la produzione di acido ialuronico (Fig. 3), una molecola ampiamente utilizzati nella formulazione di prodotti cosmetici e farmacologici.

Struttura chimica dell’acido ialuronico.
Figura 3 Struttura chimica dell’acido ialuronico.

Infine, le particolari capacità di questa specie di generare dei biofilm molto efficienti ne hanno suggerito l’applicazione anche nel settore delle biotecnologie ambientali. Infatti, alcuni studi scientifici hanno proposto i biofilm di B. subtilis come mezzo di contenimento di rifiuti pericolosi contenenti radionuclidi come il torio e il plutonio, migliorandone le possibilità di cattura e smaltimento.

Vantaggi e svantaggi genetici di B. subtilis

Essendo la principale specie modello dei batteri Gram-positivi, B. subtilis presenta una vasta gamma di strumenti genetici maturi, promotori e sistemi di espressione di plasmidi, che possono essere utilizzati nell’ingegneria metabolica, nell’espressione proteica e nella biologia sintetica.

Tuttavia, sebbene B. subtilis abbia varie applicazioni interessanti, rimane molto meno studiato rispetto alla sua controparte Gram-negativa, ossia l’E. coli. Uno dei principali motivi consiste nella minore efficienza della costruzione di plasmidi in B. subtilis rispetto a E. coli.

Per risolvere questo problema, futuri ceppi ingegnerizzati di B. subtilis potranno essere sviluppati per consentire la costruzione diretta del plasmide. Al contrario, l’elevato tasso di ricombinazione in B. subtilis presenta alcuni vantaggi per lo sviluppo di strumenti di manipolazione del suo genoma.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Su, Y., Liu, C., Fang, H., & Zhang, D. (2020). Bacillus subtilis: a universal cell factory for industry, agriculture, biomaterials and medicine. Microbial Cell Factories, 19(1), 1-12.
  • van Tilburg, A. Y., Cao, H., van der Meulen, S. B., Solopova, A., & Kuipers, O. P. (2019). Metabolic engineering and synthetic biology employing Lactococcus lactis and Bacillus subtilis cell factories. Current opinion in biotechnology, 59, 1-7.
  • Zhang, K., Su, L., & Wu, J. (2020). Recent Advances in Recombinant Protein Production by Bacillus subtilis. Annual Review of Food Science and Technology, 11, 295-318.

Crediti immagini:

Condividi l'articolo di Microbiologia Italia:

Lascia un commento