19 dic 2023 (Faretto Nanowerk) I microbi geneticamente modificati hanno un potenziale sorprendente come fabbriche viventi, strumenti diagnostici, detergenti ambientali e altro ancora. Eppure, nonostante tutte le loro promesse, questi organismi rimangono in gran parte confinati in ambienti di laboratorio attentamente controllati, incapaci di prosperare nelle condizioni variabili degli habitat naturali e industriali. La fragilità delle cellule ingegnerizzate ha fortemente limitato il loro impatto nel mondo reale nei settori della produzione, della sanità, della sostenibilità e dell’esplorazione spaziale, dove le soluzioni microbiche potrebbero portare a immensi progressi.
Ora, un ingegnoso materiale bioibrido sviluppato da ricercatori di importanti istituzioni cinesi fornisce finalmente un mezzo per incapsulare saldamente i microbi modificati per il trasporto protetto e il rilascio selettivo. I loro cosiddetti “semi viventi” integrano spore batteriche resistenti all’interno di gusci protettivi costruiti con strutture metallo-organiche, una classe di materiali cristallini porosi altamente adattabili. Queste navi specializzate salvaguardano i microbi progettisti dalle aggressioni ambientali, garantiscono un controllo preciso sulla distribuzione degli organismi e potrebbero lanciare una nuova era in cui i microbi geneticamente migliorati viaggiano per rimodellare la realtà.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Materiale avanzato (“Living Seed Materials Made by Metal–Organic Framework-Encapsulated Bacillus Subtilis Spore”).
Incapsulando geneticamente modificato Bacillus subtilis spore all'interno struttura metallo-organica (MOF), i ricercatori hanno creato particelle di “seme vivente” che proteggono i microbi in condizioni ostili consentendo al contempo il rilascio controllato nei mezzi di crescita. Questa svolta affronta una barriera di lunga data per le tecnologie degli organismi geneticamente modificati (OGM), che tendono a funzionare bene in laboratorio ma hanno difficoltà in ambienti imprevedibili del mondo reale.
Uno schema che mostra la progettazione di semi viventi ispirati alla crescita di un albero gigante dal seme di una pianta. a) Il ciclo di vita di un seme vegetale di un materiale naturale; L'endosperma delle piante angiosperme forma una struttura nucleo-guscio del nocciolo che circonda un guscio di noce durante lo sviluppo del seme. In ambienti desiderabili ricchi di sostanze nutritive, il seme può crescere fino a diventare un albero gigante. b) Prendendo ispirazione dal seme di una pianta, viene proposto lo sviluppo di spore incapsulate in MOF come materiale di seme vivente. Le spore dei batteri ingegnerizzati possono essere incapsulate in una struttura nucleo-guscio ZIF-8. Una volta fabbricato, questo materiale vivente può rispondere a specifiche condizioni ambientali e rilasciare le spore, che poi germinano in batteri viventi funzionali con caratteristiche predefinite. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag)
L'ispirazione per i semi viventi è venuta dalla natura. I semi delle piante contengono rivestimenti esterni protettivi che proteggono i tessuti dell'embrione da stress come la siccità e le radiazioni UV fino a quando le condizioni non diventano mature per la germinazione. I ricercatori miravano a ricreare questo meccanismo adattivo utilizzando MOF, una classe altamente personalizzabile di materiali porosi formati da nodi metallici collegati da molecole di collegamento organico.
I MOF possiedono proprietà utili come elevata area superficiale, integrità strutturale e reattività ambientale. Queste caratteristiche hanno reso i MOF vasi attraenti per ospitare B. subtilis con funzioni avanzate programmate nel loro DNA. B. subtilis sono state selezionate per la loro resistenza e capacità di rianimarsi come batteri vegetativi quando nutrite. Esprimendo proteine reporter fluorescenti nelle spore, il team ha potuto monitorare visivamente le transizioni spore-batteri.
Il processo di produzione dei semi viventi prevedeva la sospensione di spore e ioni metallici in minuscole goccioline d’acqua, l’emulsione della fase acquosa nell’olio, quindi la precipitazione di un guscio poroso ZIF-8 MOF attorno a ciascuna gocciolina. Ciò ha prodotto microsfere cave e uniformi con spore contenute nello spazio vuoto interno. Le sfere proteggevano le spore interne durante trattamenti aggressivi come calore elevato, candeggina ossidativa e irradiazione UV che distruggevano le spore non schermate. I tassi di degradazione di ZIF-8 dipendevano dai mezzi circostanti, consentendo il rilascio controllato delle spore innescato dai nutrienti.
Le spore rilasciate sono maturate con successo in batteri ingegnerizzati funzionali quando incubate in terreni di crescita. A scopo dimostrativo, i ricercatori hanno preparato semi viventi che ospitavano B. subtilis progettato per rilevare le sostanze chimiche IPTG e acido cuminico. Dopo il rilascio, i batteri hanno riacquistato la reattività alle sostanze chimiche bersaglio a soglie di sensibilità paragonabili alle controparti non incapsulate.
Tale conservazione e rinascita controllata dall’ambiente dei microbi ingegnerizzati offre interessanti possibilità per le tecnologie microbiche attualmente confinate in ambienti controllati come fabbriche e laboratori. Garantendo una maggiore resilienza, i contenitori di semi viventi potrebbero consentire agli OGM funzionali di svolgere ruoli in ambienti imprevedibili come il sistema gastrointestinale umano, le riserve idriche contaminate e persino il terreno extraterrestre se i veicoli spaziali carichi di spore raggiungono altri mondi. Inoltre, il concetto di seme vivente dovrebbe essere generalizzato ad altri tipi di microrganismi modificabili tramite modificazione genetica e sporulazione.
La ricerca rappresenta un connubio rivoluzionario tra biologia sintetica e scienza dei materiali. Le piattaforme di semi viventi andranno a beneficio delle applicazioni emergenti di microbi ingegnerizzati nei settori manifatturiero, terapeutico, della gestione ambientale e dell’esplorazione spaziale. Come autore principale il Dott.
- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscoloe
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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