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bioluminescenza

Bioluminescenza: perché in futuro non avremo più bisogno di elettricità.

COS’È LA BIOLUMINESCENZA.

La biologia sintetica ha portato ad una vera e propria rivoluzione e, con essa, la bioluminescenza muta da pratica curiosità scientifica ad un’interessante apertura verso nuovi campi d’applicazione. Sembra interessante, ma quali sono i progetti più innovativi a riguardo? Dalle piante, ai “piccoli e insignificanti” microrganismi, quando, e che impatto potranno avere nel dare luce alle nostre idee?

Prima di tutto, voglio farti una domanda. Cosa sai sulla bioluminescenza? Un paio di cose te le dico io: le conoscenze scientifiche sulla bioluminescenza hanno l’ambizione di rivoluzionare gli attuali modelli d’illuminazione urbana e non solo.

Potresti ancora non saperlo, ma di sicuro hai già avuto la prova dell’esistenza di questo strano fenomeno osservando volare le lucciole di notte, o guardando film come Nemo, Avatar e Vita di Pi.

La bioluminescenza, infatti, è la produzione ed emissione di luce da parte di un organismo vivente, peculiarità che è presente in natura più spesso di quanto si possa credere.

La bioluminescenza è legata soprattutto agli organismi marini a volte anche tassonomicamente distanti tra loro (Ctenofori, Anellidi, Molluschi, Pesci, Dinoflagellati), ma riguarda anche animali terricoli, ad esempio insetti, come i coleotteri delle famiglie Lampyridae (lucciole) o Phengodidae (i cosiddetti “vermi luminosi”) e funghi (Omphalotus olearius, Gerronema viridilucens, specie appartenenti al genere Mycena).

Negli organismi marini, gli organi produttori di luce prendono il nome di fotofori. Questi sono presenti soprattutto nei pesci, nei cefalopodi, negli cnidari dell’ordine Siphonophora e in altri invertebrati viventi nel piano batiale e nel piano abissale (ti ricorda qualcosa in Nemo?), nonché in numerosi organismi batipelagici.

Il fenomeno della bioluminescenza è diffuso anche in molti batteri, alcuni dei quali, come Vibrio harveyi, originano l’effetto milky sea (mare di latte) che si verifica soprattutto nell’Oceano Indiano (una delle più belle scene del film Vita di Pi), dove il mare assume una luminescenza intensa tale da conferirgli il colore bianco del latte.

GFP: Green Fluorescent Protein.

Facciamo anche un salto indietro di qualche anno, esattamente nel 2008.

“The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry for 2008 jointly to Osamu Shimomura, Martin Chalfie, Roger Y. Tsien for the discovery and development of the green fluorescent protein, GFP.” (Nobel Prize 2008)

È con questa frase che è stata premiata una delle scoperte che ha rivoluzionato, negli ultimi anni, vari ambiti della ricerca scientifica. Indovina un po’: c’entra proprio la bioluminescenza.

bioluminescenza

La Green Fluorescent Protein (GFP, in italiano, proteina fluorescente verde) è una proteina espressa nella medusa Aequorea victoria che, grazie alla sua proprietà di essere fluorescente, alle sue modeste dimensioni e alla possibilità di modificarne, entro certi limiti, le caratteristiche spettroscopiche, è diventata negli ultimi decenni un diffuso strumento per esperimenti e tecniche di biologia molecolare. La GFP, se colpita ed eccitata da una radiazione ad una specifica lunghezza d’onda, è in grado di emettere luce di un colore verde acceso (ed ecco spiegato in breve il meccanismo della fluorescenza). Sono ormai molte comunque le forme di GFP modificate, in grado di assorbire ed emettere radiazioni diverse da quelle della proteina originaria.

I 2 tipi di bioluminescenza.

In natura, possono esistere due meccanismi differenti per l’emissione di luce: la chemiluminescenza e la fluorescenza. Entrambi questi meccanismi di bioluminescenza naturale, portano all’emissione di luce da parte di organismi viventi, il primo, attraverso una reazione chimica che coinvolge l’enzima luciferasi, ed il secondo, corrispondente ad una ri-emissione di luce ad una lunghezza d’onda differente dopo che la molecola viene colpita inizialmente da un determinato tipi di radiazione elettromagnetica (proprio come avviene per la GFP).

Dall’invenzione del clonaggio genico negli anni ‘80, la bioluminescenza, usando luciferasi o GFP, è stata ampiamente sfruttata nella ricerca scientifica di base.

Questo utilissimo strumento di ricerca si sta ora spostando verso usi più pratici, andando a ricavarsi fette di mercato finora inesplorate. Cosa ne diresti, ad esempio, se si utilizzassero queste proprietà per un nuovo metodo d’illuminazione?

Quantomeno interessante, vero?

Tre innovative start-up sono in prima linea nel campo della bioluminescenza.

Il progetto più avanzato a livello europeo, è la start-up francese Glowee.

Glowee incuba in sé una piccola rivoluzione. Rappresenta un nuovo modo di concepire l’illuminazione, riuscendo a sfruttare microrganismi, non consumando elettricità e non generando inquinamento luminoso.

La tecnologia messa in campo da Glowee si basa sulla bioluminescenza, il superpotere naturale di alcuni microrganismi di produrre luce. In questo modo, è possibile affrontare in modo innovativo e soprattutto attraverso le biotecnologie un settore come quello dell’illuminazione urbana.

Tre sono le tematiche principali verso cui questa tecnologia vuole affacciarsi:

  • Tematiche di tipo ecologico: l’inquinamento luminoso è dovuto al massiccio impiego di luce artificiale durante la notte, con un notevole impatto sulla flora e fauna degli ecosistemi urbani, così come sul benessere dell’uomo (quanti vorrebbero osservare un cielo pieno di stelle anche in città).
  • Ragioni di tipo economico: il 45% dell’illuminazione pubblica è poco efficiente, datata e dovrà essere sostituita nei prossimi anni. Il rinnovamento attraverso tecnologie nuove (si pensi ad esempio ai LED) porta ad un maggiore rispetto nei confronti dell’ambiente.

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  • Ragioni commerciali: Glowee è una start-up francese e la problematica commerciale riguarda, per ora, soltanto la Francia. Infatti, dal 2013, nei negozi è vietato mantenere le insegne luminose accese, sia per motivi economici, sia ecologici.

 

L’obiettivo di questo progetto, è quindi produrre soluzioni alternative di illuminazione per eventi o agenzie di comunicazione, trasformando la scienza in design funzionale. In un secondo momento, invece, sarà possibile, migliorando l’efficienza del processo, sfruttare questo sistema per l’illuminazione di negozi ed insegne.

bioluminescenza

Ma chi altro sta tentando di portare la bioluminescenza sul mercato? Due progetti americani sono ambizioni almeno quanto Glowee.

Il Glowing Plant Project è stata la prima campagna di crowdfunding per un’applicazione di biologia sintetica, riuscendo ad ottenere donazioni su Kickstarter per $484.000 (significativamente molto più del target iniziale di soli $65.000).

Il progetto si propone di usare le tecniche di biologia sintetica ed il software Genome Compiler, per inserire i geni della bioluminescenza all’interno di Arabidopsis, una piccola pianta da fiore. L’obiettivo? Creare un impianto in grado di emettere autonomamente luce (non è commestibile purtroppo, quindi, niente insalate luminose).

La trasformazione della pianta è fatta utilizzando Agrobacterium tumefaciens. Il DNA, che permetterà l’emissione di luce, è inserito all’interno di un particolare batterio in grado di trasferire tale DNA a quello della pianta.

Le applicazioni sono molteplici: si potrebbe illuminare il giardino e le strade in maniera sostenibile, ma è possibile anche creare effetti particolari come piante dal fiore illuminato di un colore diverso dalle foglie. Restano, però, alcuni problemi da risolvere: al momento queste piante emettono luce con un’intensità molto ridotta rispetto a un lampione, circa la metà.

Ci sono da superare anche interrogativi di carattere etico, chiusure ideologiche e regolamenti nazionali. Per rendere gli alberi luminescenti, chiaramente è necessario ricorrere all’ingegneria genetica e più di qualcuno si oppone all’idea che piante modificate geneticamente vengano piantate su larga scala. Il timore, da parte dell’opinione pubblica, non è solo sulla specifica pianta, ma è anche sul fatto l’accettazione di queste tecnologie creerebbe un precedente, rendendo più difficile impedire il diffondersi di altre modifiche genetiche su larga scala.

Ed il terzo progetto? Quest’ultimo, ha un carattere più educativo ed informativo e vorrebbe aumentare la curiosità verso tematiche delicate, sperando di poter cambiare la percezione che la società ha degli OGM.

bioluminescenza

Il nome curioso è Dino Pet, il quale riesce a trasformare il suggestivo fenomeno della bioluminescenza in un giocattolo interattivo, per portarlo in vita con la realtà aumentata. È il primo animale bioluminescente, creato da un laboratorio americano con i finanziamenti raccolti sulla piattaforma Kickstarter.

L’idea, che ha ispirato i fondatori della californiana Yonder Biology, la quale da sempre cerca di mettere assieme scienza e arte, è far conoscere, soprattutto, ai giovanissimi, l’attività delle dinoflagellate: microscopiche alghe, presenti soprattutto negli oceani, che, grazie ad un’attività di fotosintesi, riescono ad emettere un’intensa luce azzurrina al buio.

Ricreando in laboratorio le condizioni per la crescita delle dinoflagellate è nato Dino Pet: un piccolo dinosauro domestico bioluminescente che, se nutrito di luce indiretta durante il giorno, brilla intensamente la notte.

In questo modo, la bellezza e la complessità del mondo naturale trovano un ottimo strumento per illustrare in modo sempre più coinvolgente anche i fenomeni più ostici.

Da queste tre idee (principalmente le prime due) è facile osservare come ci sia un forte interesse verso il campo dell’illuminazione, il quale evolverà rapidamente nei prossimi 10 anni. Così come i LED hanno cambiato completamente il consumo energetico, la bioluminescenza potrebbe aprire nuove opportunità.

Sarà interessante seguire i prossimi passi di questi progetti. Ogni finanziamento fatto a favore di queste nuove tecnologie è orientato verso l’ottenimento di profitti per un ritorno in termini di investimenti. Tanto più, queste società, saranno in grado di risolvere in modo innovativo problematiche quotidiane, tanto più le biotecnologie permeeranno la nostra società.

E noi, siamo pronti ad una rivoluzione biotech?

BIBLIOGRAFIA

 

A cura di Federico De Marco. Revisionato da Mirko Zago.

 

Licenza Creative Commons
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About the Author : Federico De Marco

Biotecnologo Industriale. Metodico. Irrazionalmente curioso. Sperimentatore della vita.

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