Una fabbrica batterica eco-friendly sbarca nel mondo dei nanomateriali

“Per riuscire in una difficile impresa occorrono una formidabile motivazione ed una straordinaria tenacia. Perché occorre tener ferma l’attenzione sulla meta per mesi o per anni, senza debolezze, senza riposo, continuamente attenti, vigilanti. La gente che guarda le cose dall’esterno, ha l’impressione che sia stato tutto facile. Invece niente è facile.” (Francesco Alberoni).

Nanomateriali eco-friendly grazie ad.. un batterio?

Perseveranza. E’ il motore alla base di una ricerca iniziata nel 2006 dal laboratorio di Microbiologia Generale e Applicata dell’Università di Bologna, diretto da Davide Zannoni (Dipartimento FaBiT). Anni di studio e ricerca scientifica sono nati dall’isolamento e caratterizzazione del batterio “mangia-tellurio” Rhodococcus aetherivorans BCP1. La ricerca ha poi culminato nell’esplorazione della sua straordinaria capacità di generare nanomateriali.

L’articolo, recentemente pubblicato su Scientific Reports, è il frutto di una collaborazione tra il laboratorio di Zannoni e ricercatori della Calgary University (Canada). Il vero protagonista dello studio è la bio-factory eco-friendly Rhodococcus aetherivorans.

L’implementazione di nanomateriali all’avanguardia è ad oggi un tema ricorrente all’interno della comunità scientifica e non solo. Soprattutto in riferimento al loro straordinario ventaglio di applicazioni pratiche. In questo scenario, la possibilità di disporre di un meccanismo di fabbricazione microbico, meno costoso e sicuramente più ecologico rispetto ai tradizionali metodi di sintesi chimica, rappresenta sicuramente un vantaggio.

Rhodococcus aetherivorans

Rhodococcus aetherivorans BCP-1 era già conosciuto per la sua capacità di far fronte ad elevate concentrazioni di anioni tossici del metalloide tellurio di potassio. Era anche nota la sua capacità di trasformare questi anioni in specie meno tossiche del tellurio, generando nanostrutture termodinamicamente stabili. Nel recente studio è stata approfondita la capacità di cellule quiescenti del batterio di sopportare elevate concentrazioni di TeO₃^2- e determinarne la bio-conversione in nanostrutture di diversa forma e con dimensioni che risultano essere invidiabili rispetto a quelle prodotte da altri microrganismi noti.

Una serie di esperimenti con diversi tempi di esposizione (fino ad un massimo di 3 ore) e concentrazioni crescenti di TeO₃^2- (con una concentrazione massima di 1000 μg/mL) hanno dimostrato da un lato la notevole capacità di biorisanamento da parte del batterio, e dall’altro la sua straordinaria abilità nel formare nanomateriali, di forma sferica o a bastoncelli in ognuna delle condizioni testate. In particolare, si è osservata la preferenziale formazione di strutture bastoncellari in presenza di concentrazioni maggiori di TeO₃^2-e a tempi maggiori di esposizione fino ad ottenere una invidiabile lunghezza di 781±189 nm (Fig.1).

nanomateriali prodotti da Rhodococcus aetherivorans — Figura 1 – Immagini al microscopio a trasmissione elettronica delle nanostrutture prodotte dai batteri BCP-1 dopo 0.5 o 16 h di esposizione della specie batterica a concentrazioni di TeO₃^2- di 100, 500 e 1000 μg/mL.

Meccanismo molecolare per la produzione di nanomateriali

Normalmente, le nanostrutture di tellurio sono ottenute attraverso una procedura di sintesi chimica. Durante tali sintesi, l’aggiunta di surfattanti nella reazione è fondamentale per limitare l’aggregazione delle nanoparticelle e conservare un diametro nano delle strutture sintetizzate. Incredibilmente, gli studiosi sono riusciti a dimostrare come Rhodococcus aetherivorans BCP-1 sia in grado di fornire “for-free” delle biomolecole anfifiliche ad azione surfattante durante il processo di fabbricazione delle nanoparticelle. La caratterizzazione di queste molecole ha quindi permesso di formulare il probabile meccanismo molecolare che è alla base di questa bio-factory (Fig.2).

meccanismo di produzione di nanoparticelle — Figura 2 – Assemblaggio intracellulare e crescita dei TeNRs. Una volta internalizzate le specie anioniche di tellurio all’interno delle cellule BCP-1, la concentrazione di atomi di Te allo stato 0 aumenta fino ad arrivare ad una concentrazione critica che determina l’aggregazione e la nucleazione degli atomi di tellurio contro l’instabilità termodinamica generatasi all’interno dell’ambiente intracellulare. I semi di nucleazione (Te-nucleation seeds) vanno successivamente incontro ad un collasso che determina la formazione di precipitati nanocristallini, a cui segue l’assemblaggio e la crescita delle nanoparticelle (TeNPs) lungo un asse verticale che porterà alla formazione dei nano bastoncelli (TeNRs).

Le nanostrutture prodotte da Rhodococcus aetherivorans BCP-1 sono state estratte e caratterizzate per le loro proprietà di conduzione elettrica. Questa risulta essere perfettamente comparabile a quella propria delle nanoparticelle ottenute per via sintetica.

Prospettive future

Insomma, un batterio, una grande rivelazione per future applicazioni tecnologiche. Esse permetterebbero per esempio il riutilizzo ecologico del tellurio ottenuto da campioni ambientali inquinati per la fabbricazione di nanomateriali in tellurio. Questi ultimi sarebbero spendibili in settori di elevata tecnologia come la fotovoltaica.

Serena Galiè