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Idrogeno in provetta: la ricetta per produrre energia pulita.

IL REATTORE AD IDROGENO PIÙ PICCOLO DEL MONDO. 

Un sistema per la produzione di idrogeno (H2), che sfrutta le peculiari capacità dei virus, è stato sviluppato nel corso del 2013 da un team di ricercatori della Montana State University e dell’Indiana State University.

Pensare in grande.

Negli ultimi anni il settore delle risorse energetiche rinnovabili, cosiddette green, ha conosciuto un progressivo aumento e un’intensificazione della crescita nelle aree di ricerca e sviluppo (ad esempio le pile a combustibile che sfruttano l’idrogeno per creare elettricità). Centrali eoliche, geotermiche e idroelettriche, sempre più efficienti, vengono progettate e costruite nel mondo, per rendere più concreta l’idea di una Terra senza inquinamento e spreco energetico. Ciò comporta la mobilitazione di ingenti risorse umane e finanziare: pensare in grande costa.

Questo, almeno, nel mondo in cui siamo abituati a vivere ogni giorno.

Sei pronto per la sconvolgente verità? E se per una volta il segreto fosse pensare in piccolo?

Ti prego di prestare la massima attenzione: qui, per piccolo, s’intende molto piccolo.

 Il nanomondo.

Normalmente, siamo abituati a muoverci e a pensare in termini di millimetri, centimetri, metri o, al più, chilometri. Esiste, tuttavia, un mondo che è esattamente l’opposto di questo: qui, tutto funziona in termini di micrometri e nanometri (ad esempio, un atomo di idrogeno possiede un diametro nell’ordine dei 10). Sono numerosi i professionisti che si occupano delle meraviglie che ci sono precluse alla vista (fisici o chimici), anche se, di certo, noi biologi siamo abituati a lavorare con la parte più affascinante di questo mondo ultramicroscopico.

Per avere un’idea, alzati in piedi, basta poltrire, l’attività fisica è importante. Prova a fare un passo avanti (o indietro se preferisci, ma presta attenzione). Quanto tempo ci hai impiegato? Ecco, ora, prova a pensare che un batterio può raggiungere al massimo, la velocità di 60 µm/s. Ciò, ci consente di dire che per percorrere 70 cm (più o meno la stessa lunghezza del tuo passo) ci impiegherebbe circa 3 ore!

Le nanotecnologie hanno visto il moltiplicarsi delle ricerche e delle possibilità di applicazione. Nuovi nano-materiali vengono continuamente sviluppati, studiati e poi applicati a processi biologici, aprendo prospettive del tutto nuove.

Potrebbe sembrare difficile, a questo punto, immaginare come possa essere stato costruito il nano-reattore ad idrogeno di Trevor Douglas e colleghi. Chi si è occupato di mobilitare e spostare tutto il materiale per la realizzazione di questo progetto? Come sono stati assemblati i vari componenti? Chi ha supervisionato i lavori? Insomma, dove sono le gru?

La risposta, per quanto strana, è che tutto questo è stato realizzato da alcuni tipi di virus.

Ma com’è possibile?

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Un virus capocantiere?

Ebbene sì, il punto cardine di questo progetto sono stati proprio i virus. Non del tipo che viene in mente di primo acchito: parliamo dei virus che infettano batteri. I virus, specialmente i batteriofagi, sono soggetti a svariati studi e vengono utilizzati in molti esperimenti che sfruttano le loro caratteristiche più peculiari. Sono particelle composte, principalmente, da un rivestimento di proteine, definito capside, che può racchiudere diversi tipi di materiale genetico, a seconda del tipo di batteriofago che stiamo considerando: DNA o RNA). Non sono propriamente degli esseri viventi, dato che, per riprodursi, necessitano di infettare una cellula, sfruttando i meccanismi molecolari della cellula stessa, per produrre nuove particelle virali.

Proprio a causa della natura dei batteriofagi, che li spinge ad iniettare il proprio genoma nel citoplasma di alcuni tipi di cellule batteriche, sono considerati ottimi vettori per la modificazione genetica di alcuni microrganismi.

In particolare, nella costruzione del nano-reattore ad idrogeno, è stata sfruttata la capacità di auto-assemblaggio dei virus. Una volta infettata la cellula ospite, prodotte le componenti proteiche del capside e replicato il proprio materiale genetico, i batteriofagi possono spontaneamente auto-assemblarsi formando numerose particelle virali figlie. Queste, una volta liberate nel mezzo di coltura, saranno in grado infettare altre cellule ripetendo il ciclo di vita del virus.

 La costruzione del reattore ad idrogeno.

Il team di scienziati ha dovuto capire come poter utilizzare al meglio i vari e delicati componenti coinvolti nel processo per scegliere quando far entrare in gioco ognuno di essi.

Le componenti principali di questo progetto sono le seguenti.

  1. Cellule di coli, utilizzate come terreno di costruzione del nano-reattore.
  2. Fago P22, che ha fornito l’apparato di auto-assemblaggio.
  1. Idrogenasi EcHyd-1, un enzima, formato da due subunità, capace di produrre idrogeno in presenza di ossigeno molecolare, sfruttando Ferro (Fe) e Nichel (Ni) per la reazione.
  2. Plasmidi, molecole circolari di DNA, ampiamente utilizzate in ingegneria genetica per trasferire geni in una cellula.

A questo punto, è stato possibile dare il via all’esperimento vero e proprio. Nelle cellule di E. coli, sono stati inseriti plasmidi modificati in modo da portare i geni per le due componenti dell’idrogenasi separati, ognuno saldato ad una parte di DNA virale, detta SP (“Scaffold Protein”), con lo scopo di evitare il loro assemblaggio prematuro. Infatti, il montaggio dell’idrogenasi può avvenire solo quando entrambe le sue componenti siano pronte per questa fase. La sequenza virale inserita ha permesso agli scienziati di attendere il tempo necessario al fine di indurre artificialmente, nelle cellule, la produzione della proteina di rivestimento che ha formato, così, un vero e proprio capside attorno all’enzima.

Il metodo utilizzato per la costruzione del nano-reattore ad idrogeno, ha consentito di rendere efficiente un processo che prima era molto meno conveniente. Altri tipi di idrogenasi non sono adatte alla presenza di ossigeno, hanno rese troppo basse, oppure, sono molto difficili da purificare.

Queste caratteristiche le rendono poco adatte come biocatalizzatori. Inoltre, l’intero sistema è reso stabile dalla presenza della proteina virale di rivestimento del batteriofago P22, che è particolarmente resistente a possibili danni provenienti dall’esterno. 

Tutti risultati molto importanti, viste le prospettive future che lo sviluppo di queste tecnologie potrebbe offrire.

Ad ogni modo, la domanda che sorge spontanea è la più classica, ma anche la più difficile da risolvere: perché produrre idrogeno con i virus?

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L’unione fa la forza.

Questa è la regola numero uno nella biologia: una singola cellula può non sembrare molto, ma quando molte cellule si uniscono per formare tessuti, organi e organismi tutto appare diverso.

Lo stesso vale per i nano-materiali che, pur essendo molto affascinanti, risultano invisibili a occhio nudo e, come nel nostro caso, producono quantità di prodotti che, per noi abitanti del mondo macroscopico, potrebbero sembrare ridicole. Questo accade perché pensiamo ad un singolo nano-reattore, ma quale sarebbe l’effetto di centinaia di milioni di cellule batteriche, contenenti ciascuna un milione di particelle virali? Certamente una grande quantità di idrogeno prodotto. Proprio per questo motivo, le nano-tecnologie biologiche stanno assumendo un grande interesse di tipo industriale.

“La combinazione di catalisi enzimatica con nuovi materiali che generano combustibili mostra un grande obiettivo interdisciplinare.” (Nature, 2015)

Il commento finale degli autori dell’esperimento alla fine dell’articolo pubblicato su Nature il 21 dicembre 2015, che fa riflettere su quanto siano importanti al giorno d’oggi la collaborazione, la comunicazione e la ricerca interdisciplinare. Al progetto hanno infatti partecipato, tra gli altri, Heini M. Miettinen, del dipartimento di microbiologia e immunologia della MSU e Gautam Basu del dipartimento di biofisica del Bose Insitute, in India.

Questo tipo di collaborazione e comunicazione è molto importante anche al di fuori del mero campo scientifico, nella vita di tutti i giorni, dove nessuno può sapere tutto, ma dove ognuno può trovare l’umiltà e l’apertura mentale per imparare qualcosa da una persona con esperienza, cultura e stile di vita completamente diversi dal proprio.

“La conoscenza comincia dal coraggio della propria ignoranza.” (Pino Caruso, 2009)

BIBIOGRAFIA

 

A cura di Nader Baydoun. Revisionato da Mirko Zago.

Licenza Creative Commons
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About the Author : Nader Baydoun

Rocker e aspirante biotecnologo dall'animo nerd. Pensare fuori dal quadrato è una filosofia di vita.

2 Comments
  1. […] spesso che, a seguito di diverse complicazioni, il malato non riuscisse a superare la malattia. Il virus della spagnola aggredisce soprattutto i polmoni, perché presenta una piccola proteina sulla […]

  2. […] non è finita qui. L’aver individuato, in generale, i processi biologici di espressione di questi geni, ci aiuta a comprendere il motivo per cui il diabete mellito sia […]

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