Syn-SCOBY: biofilm microbici a base di cellulosa per biomateriali grazie alla biologia sintetica

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La biologia sintetica o synbio

La biologia sintetica o synbio rappresenta una sempre più emergente disciplina che introduce la possibilità di creare in laboratorio microrganismi artificiali e/o di sintetizzare efficacemente e velocemente lunghe sequenze di DNA senza utilizzare alcun modello naturale.

Le grandi potenzialità della biologia sintetica gettano le proprie basi su una profonda interdisciplinarità che prevede l’integrazione di conoscenze e competenze tecniche di tantissimi settori scientifici tra cui biologia, chimica, matematica, ingegneria e biotecnologie (Fig. 1).

Rappresentazione schematica dell’interdisciplinarità della biologia sintetica.
Figura 1 – Rappresentazione schematica dell’interdisciplinarità della biologia sintetica.

Ad esempio, la synbio permette di identificare, ridisegnare e adattare (negli elementi regolatori) un intero set di geni coinvolti in una particolare via biosintetica, scoperta in natura in una pianta rara, ed introdurlo in un fungo o un lievito per la produzione industriale dei relativi metaboliti, in maniera molto più rapida ed efficiente.

A testimonianza delle potenzialità di questa disciplina, l’editoriale di un numero speciale di Nature Reviews Microbiology ha definito la synbio come “la tecnologia che sarà in grado di assicurare all’umanità cibo, medicine ed energia”.

Inoltre, secondo il Consiglio britannico per l’Ingegneria e le Scienze Fisiche la biologia sintetica sarà in grado d’offrire vantaggi significativi in settori quali terapie, biosensori ambientali e metodi innovativi per la produzione di cibo, farmaci, prodotti chimici ed energia.

Lo studio innovativo a base di Kombucha

Nel 2014, due gruppi di ricerca erano riusciti ad ingegnerizzare cellule di Escherichia coli in modo da coltivare biomateriali modellabili costituiti da biofilm viventi in grado di esporre in superficie proteine ​​funzionali. Il concetto era grandioso, ma i materiali erano minuscoli: potevano essere osservati soltanto al microscopio.

Da allora, la coltivazione di materiali viventi autonomi su larga scala è diventata uno degli obiettivi principali della biologia sintetica.

In questo contesto, una recente pubblicazione su Nature, dal titolo “Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures” ha descritto un nuovo passo in avanti della biologia sintetica: la sintesi di biomateriali in quantità macroscopiche.

I protagonisti di questo originale studio sono i batteri e i lieviti della Kombucha (Fig. 2), una bevanda leggermente frizzante, ottenuta dalla fermentazione del tè zuccherato.

Fotografie della Kombucha con in evidenza, a sinistra, il caratteristico biofilm creato in superficie dal consorzio di batteri e lieviti tipici di questa bevanda.
Figura 2 – Fotografie della Kombucha con in evidenza, a sinistra, il caratteristico biofilm creato in superficie dal consorzio di batteri e lieviti tipici di questa bevanda.

La fermentazione avviene tramite una massa solida macroscopica (Fig. 2) chiamata “SCOBY” (Symbiotic Culture Of Bacteria and Yeast), ossia coltura simbiotica di batteri e lieviti o anche semplicemente “coltura di Kombucha”.

Tale coltura contiene una simbiosi di Acetobacter (batteri che producono acido acetico) e diverse specie di lieviti, tra cui Brettanomyces bruxellensis, Candida stellata, Schizosaccharomyces pombe, Torulaspora delbrueckii e Zygosaccharomyces bailii.

Lo scopo del biofilm superficiale è quello di, in presenza di ossigeno, fermentare lo zucchero contenuto nel tè redendo la bevanda frizzante, acidula e leggermente alcolica. Inoltre, le colonie dello SCOBY impediscono la crescita di specie batteriche indesiderate creando un ambiente sano e sicuro per le specie consorziate.

Il biomateriale innovativo: Syn-SCOBY

La pellicola superficiale è composta da cellulosa batterica prodotta dai batteri del genere Acetobacter. Essa rappresenta un biomateriale con delle proprietà superiori rispetto alla carta tradizionale, costituita dalla cellulosa vegetale.

Inoltre, la quantità di biomateriale prodotto è funzione della superficie del liquido per cui, aumentando la superficie del bioreattore, è possibile incrementare in maniera significativa (circa mille volte di più) la produzione di questo biomateriale rispetto alle quantità ottenute in passato dalle cellule di E. coli geneticamente modificate.

Una collaborazione tra due gruppi di ricerca del MIT e dell’Imperial College London ha portato alla creazione di un sistema sintetico SCOBY (Syn-SCOBY) utilizzando un ceppo ingegnerizzato del lievito Saccharomyces cerevisiae e un ceppo batterico alto produttore di cellulosa della specie Komagataeibacter rhaeticus (Fig. 3), isolato dal tè di Kombucha.

Fotografia mediante SEM di cellule di Komagataeibacter rhaeticus immerse nel biofilm batterico a base di cellulosa.
Figura 3 – Fotografia mediante SEM di cellule di Komagataeibacter rhaeticus immerse nel biofilm batterico a base di cellulosa.

L’idea vincente è stata quella di lasciare al batterio K. rhaeticus il compito di produrre la cellulosa ed affidare al lievito S. cerevisiae appositamente ingegnerizzato quello di rilevamento della cellulosa e di secrezione enzimatica. Tuttavia, non è stato così facile far funzionare questo sistema a due specie in quanto S. cerevisiae non è un membro delle co-colture native della Kombucha.

Infatti, gli autori dello studio pubblicato su Nature hanno trascorso molto tempo a cercare le condizioni di fermentazione ideali per mantenere una co-cultura stabile delle due specie.

I vantaggi del sistema Syn-SCOBY

Il sistema Syn-SCOBY può ora produrre uno spesso strato di materiale cellulosico in soli tre/quattro giorni a temperatura ambiente. Inoltre, è possibile incrementare la produzione del biofilm trasferendo parte della co-coltura “invecchiata” in un terreno di coltura fresco ricco di zuccheri.

Allo stesso tempo, l’approccio di biologia sintetica implementato ha permesso di creare materiali Syn-SCOBY in grado di rilevare input chimici e ottici e generare output diversi. Ad esempio, gli autori hanno “insegnato” alle cellule di lievito a percepire la luce e segnalarla usando la bioluminescenza (come le lucciole!), creando una “pellicola Polaroid vivente”.

Ma non è finita qui! Apposite riprogrammazioni cellulari hanno portato alla creazione di materiali Syn-SCOBY in grado di rilevare i contaminanti (es. tossine batteriche) e produrre enzimi per rimuoverle.

Infine, tutti questi materiali, frutto della synbio, possono essere realizzati ​​facilmente sul tavolo della cucina disponendo soltanto di tè, zucchero e un piccolo pezzo di pellicola Syn-SCOBY. Semplice come il modo in cui si prepara il tè Kombucha fatto in casa.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Gilbert, C., Tang, T. C., Ott, W., Dorr, B. A., Shaw, W. M., Sun, G. L., Ellis, T. (2021). Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures. Nature Materials, 1-10.
  • Semjonovs, P., Ruklisha, M., Paegle, L., Saka, M., Treimane, R., Skute, M., … & Cleenwerck, I. (2017). Cellulose synthesis by Komagataeibacter rhaeticus strain P 1463 isolated from Kombucha. Applied microbiology and biotechnology, 101(3), 1003-1012.
  • Thorat, M. N., & Dastager, S. G. (2018). High yield production of cellulose by a Komagataeibacter rhaeticus PG2 strain isolated from pomegranate as a new host. RSC advances, 8(52), 29797-29805.
  • Mukadam, T. A., Punjabi, K., Deshpande, S. D., Vaidya, S. P., & Chowdhary, A. S. (2016). Isolation and characterization of bacteria and yeast from Kombucha tea. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 5(6), 32-41.

Crediti immagini:

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