Cellulosa batterica: il biomateriale del futuro?

Se si parla di cellulosa l’immagine che ci viene è alla mente è quella di alberi al alto fusto e di grandi fabbriche che lavorano il legname. L’impiego di un processo di purificazione della cellulosa vegetale risale alla prima metà del 1800, con un procedimento chimico che prevede la separazione da lignina ed emicellulosa. Pochi decenni dopo però, verso la fine del secolo, A.J. Brown descrisse la produzione di pura cellulosa batterica (BC) dal ceppo Acetobacter xylinum. Nonostante la piccola differenza temporale delle scoperte, solo alla fine dello scorso secolo la BC ha suscitato maggior interesse per le sue possibili applicazioni.

Caratteristiche della cellulosa batterica

La BC, sebbene strutturalmente simile alla cellulosa vegetale, è più pura, con caratteristiche meccaniche migliori in termini di forza e possiede un’elevata capacità di trattenere l’acqua. Inoltre questo biomateriale ha un’ottima elasticità, permeabilità, flessibilità e durata.

La produzione di cellulosa da parte di batteri è un fenomeno naturale che riguarda diversi ceppi (vedi tabella). Tra questi i ceppi appartenenti al genere Acetobacter si sono dimostrati i più promettenti in termini di resa e facilità di coltivazione. In natura i batteri producono la BC come costituente della parete cellulare o come sistema per isolarsi da condizione ambientali avverse. A livello strutturale anche la BC, come la cellulosa vegetale, è un polisaccaride formato da catene di glucosio unite attraverso il legame β1-4. A livello molecolare la cellulosa sintasi è l’enzima responsabile della formazione delle catene di glucosio che vengono secrete attraverso dei pori presenti sulla membrana plasmatica. All’esterno della cellula la nanofibrille di cellulosa (1,5 nm) si organizzano in nanofibre (3-4 nm) ed infine in microfibrille (40-60 nm) fino a formare un fascio più grande (Fig.1).

Rappresentazione schematica dell'assemblaggio della cellulosa batterica — *Figura 1 – Meccanismo di assemblaggio ipotizzato della cellulosa batterica [Zhong 2020]*

Produzione della cellulosa per scopi umani

A livello di produzione per scopi umani, esistono sostanzialmente due protocolli di coltivazione dei batteri: in coltura statica o in agitazione (Fig.2). In entrambe le condizioni i batteri crescono a pH e temperatura controllata in un terreno contenente una sorgente di carbonio (glucosio), una di azoto (estratto di lievito) e altri elementi come fosforo, potassio, zolfo e magnesio. Il risultato finale è uno strato di cellulosa tra il liquido e l’aria, nella coltura statica, o un particolato disperso nel terreno nella coltura in agitazione. I due prodotti, seppur microscopicamente uguali, sono diversi nell’aspetto e nelle caratteristiche meccanico/fisiche, rendendoli adatti a scopi diversi. Per esempio la coltura statica è usata per i prodotti con una geometria fissa mentre la coltura in agitazione permette di ottenere un biomateriale con una tenuta d’acqua maggiore.

Risultato della produzione in condizione statiche o in agitazione di cellulosa batterica. — *Figura 2 – Cellulosa batterica, in bianco, ottenuta da una coltura statica (a,b) o in agitazione (c,d). [Zhong 2020]*

Applicazioni umane della cellulosa batterica

Seppur ignote ai più, le applicazioni di questo biomateriale, sia presenti che future, sono numerose e spaziano in numerosi campi (Fig.3). Partendo dal campo alimentare si arriva a quello tessile passando attraverso l’ambito biomedico e tecnologico. La diffusione della cellulosa batterica è quindi piuttosto ampia ed è in rapida espansione.

Possibili applicazioni presenti e future per la BC — *Figura 3 – Applicazioni umane della cellulosa batterica [Sundaravadanam et al., 2022]*

Applicazione in campo alimentare

La nata de coco è la prima forma di dessert a cubetti costituito da cellulosa batterica ottenuta coltivando Acetobacter xylinum in latte o acqua di cocco. Con lo stesso principio è possibile ottenere dei dessert gelatinosi utilizzando estratti di diversi frutti o addirittura te zuccherati. In questa forma la BC viene utilizzata come ingrediente per bevande, yogurt, torte ed insalate, in particolare in paesi come le Filippine ed il Giappone. Inoltre sempre più diffuso è l’impiego di particelle di questo biomateriale come additivo in bevande per favorire la sospensione di altri ingredienti come latte e caffè oppure per migliorarne la durata e stabilità. Infine, data la sua natura non animale, la BC ha trovato impiego, in combinazione con Monascus purpureus, nelle fasi di produzione di carne vegetale, apprezzata per diversi fattori come l’azione anti-colesterolo e la natura fibrosa della cellulosa.

Applicazione della cellulosa batterica in campo alimentare — *Figura 4 – Applicazioni della cellulosa batterica in campo alimentare [Kamal et al., 2022]*

Numerose verifiche sono state condotte sull’utilizzo della BC come materiale per il confezionamento di alimenti, sfruttando anche la possibilità di produrre del biomateriale ricco di agenti anti-microbici. Il risultato? Aumentare la durata e la resistenza degli alimenti e ridurre l’utilizzo di materiali inquinanti come la plastica.

Applicazione nella cura personale

Parlando di cura personale e prodotti per la casa è sottinteso che le parole d’ordine devono essere sicurezza e biocompatibilità. Sotto questi aspetti la BC risponde egregiamente a questi requisiti essendo un biomateriale non tossico e altamente biocompatibile. Difatti la BC è utilizzata come componente delle maschere facciali, garantendo una tenuta idrica e una sensazione di freschezza maggiore rispetto agli altri materiali impiegati. Sfruttando la caratteristica porosità della BC è inoltre possibile combinare la maschere facciali con altre sostanze chimiche per scopi terapeutici e/o cosmetici. Rimanendo nel campo casalingo, analogamente a quanto avviene con i cibi, la cellulosa batterica viene utilizzata per favorire la sospensione di particolati in prodotti liquidi per l’igiene della casa, il bucato e la cura personale (per saperne di più su batteri e trattamenti di bellezza).

Applicazioni in biomedicina

A livello medico la cellulosa di origine batterica trova impiego soprattutto nel processo di wound dressing. Questo tipo di trattamento prevede la copertura (dressing) di una ferita (wound) a livello della cute con garze o materiali sintetici. Spesso però i materiali usati non garantiscono un controllo dell’umidità della lesione, lo scambio di gas con l’ambiente esterno e non intervengono direttamente nell’accelerare la guarigione o nel proteggere da infezioni. Gli studi e le applicazioni fatte finora dimostrano che la BC è in grado di rispondere a questi requisiti nel campo del wound dressing. Controllo dell’umidità e degli scambi gassosi, flessibilità, permeabilità, semitrasparenza, riduzione del dolore e accelerazione della guarigione sono alcuni dei vantaggi nell’uso di questo biomateriale. Difatti, all’oggi, supporti per il wound dressing composti da BC sono commercializzati da numerosi marchi.

Applicazione della cellulosa batterica come wound dressing — *Figura 5 – Applicazione della cellulosa batterica nel wound dressing [Sabbagh et al., 2018]*

Infine una sempre maggior attenzione si sta dando all’uso di composti di cellulosa batterica per il trasporto e rilascio di farmaci in diversi contesti patologici, e per il trattamento di lesioni interne quali ulcere o danni vascolari.

Impatto ambientale della produzione ed uso della cellulosa batterica

Chiudiamo la trattazione della BC parlando degli effetti indiretti legati alla sua produzione ed uso. Come già accennato qualche riga sopra, l’utilizzo della BC in sostituzione di altri materiali sintetici può avere un impatto ambientale benefico. La riduzione dell’uso della plastica è uno dei vantaggi per esempio dell’uso della BC nel campo del confezionamento. Anche nel campo tessile, la sostituzione di materiali come nylon, acrilici e polipropilene con fibre di cellulosa non-vegetale ridurrebbe la dispersione di composti non degradabili. Inoltre i benefici ambientali si avrebbero anche sostituendo la cellulosa vegetale con quella batterica. Da un punto di vista industriale si annullerebbe l’utilizzo di agenti chimici per l’estrazione della cellulosa, utilizzando parallelamente una minor quantità di energia ed acqua.

Conclusioni finali

Tirando un po’ le fila del discorso, i principali problemi legati alla produzione di BC sono economici, ovvero i costi dei terreni in rapporto alla resa finale. Ma anche in questo aspetto la produzione della BC potrebbe riservare delle sorprese. Gli scarti di lavorazione nella filiera alimentare come mais e riso rappresentano una fonte di zucchero enorme utilizzabile come nutrimento per i batteri produttori di cellulosa. Sempre nella stessa direzione, le tonnellate di cibo sprecato ogni anno potrebbero essere convertite per un secondo fine. Una visione più ampia delle possibili fonti di zucchero favorirebbe quindi un utilizzo più cosciente degli scarti alimentari sia industriali che casalinghi.

Per concludere la cellulosa batterica si presenta come un biomateriale utile, versatile e con vantaggi diretti e indiretti soprattutto sull’ambiente e l’inquinamento.

Fonti

Zhong, C. (2020). Industrial-Scale Production and Applications of Bacterial Cellulose. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8(December), 1–19.
Sundaravadanam V., Basu, A., & Lim, S. (2022). Bacterial cellulose production, functionalization, and development of hybrid materials using synthetic biology. Polymer Journal, 54(4), 481–492.
Kamal, T., Ul-Islam, M., Fatima, A., Ullah, M. W., & Manan, S. (2022). Cost-Effective Synthesis of Bacterial Cellulose and Its Applications in the Food and Environmental Sectors. Gels, 8(9), 1–24.