Mohammed Mouhib e Melania Reggente
Con una svolta nel campo della bioelettronica, i ricercatori dell'EPFL hanno migliorato la capacità dei batteri Escherichia coli di generare elettricità. L’approccio innovativo offre una soluzione sostenibile per il trattamento dei rifiuti organici, surclassando le precedenti tecnologie all’avanguardia, aprendo nuovi orizzonti per la versatile produzione di elettricità microbica
I batteri bioelettrici sono fondamentali per realizzare dispositivi viventi che si basano sul trasferimento di elettricità dentro e fuori le cellule. Questi dispositivi abbracciano applicazioni energetiche tra cui il biorisanamento, il fotovoltaico biologico, le celle a combustibile microbiche e l’elettrosintesi, ma sono limitati dallo scarso trasferimento di elettroni extracellulari (extracellular electron transfer - EET) attraverso la membrana esterna. Sebbene gli esoelettrogeni, come Shewanella oneidensis, esprimano naturalmente condotti che consentono l’EET, il loro metabolismo limitato e gli strumenti di ingegneria genetica limitati ne ostacolano l’uso per la maggior parte delle tecnologie. I microbi come l’Escherichia coli, d’altro canto, sono rinomati per la loro versatilità metabolica, ma non hanno le capacità EET per la bioelettronica.
«Abbiamo progettato il batterio Escherichia coli, il microbo più studiato, per generare elettricità», afferma la professoressa Ardemis Boghossian (1) dell'EPFL. «Sebbene esistano microbi esotici che producono naturalmente elettricità, possono farlo solo in presenza di sostanze chimiche specifiche. L’Escherichia coli può crescere su un’ampia gamma di fonti, il che ci ha permesso di produrre elettricità in un’ampia gamma di ambienti, comprese le acque reflue».
In un articolo pubblicato sulla rivista Joule (2), il team della dottoressa Boghossian riporta un risultato rivoluzionario nel campo della bioelettronica, migliorando le capacità dei comuni batteri Escherichia coli di generare elettricità. Il lavoro delinea un nuovo approccio che potrebbe rivoluzionare sia la gestione dei rifiuti che la produzione di energia.
I batteri Escherichia coli, un elemento fondamentale della ricerca biologica, sono stati sfruttati per creare elettricità attraverso un processo noto come trasferimento di elettroni extracellulari (EET). I ricercatori dell’EPFL hanno progettato i batteri Escherichia coli per mostrare un EET potenziato, rendendoli “microbi elettrici” altamente efficienti. A differenza dei metodi precedenti che richiedevano sostanze chimiche specifiche per la generazione di elettricità, l’Escherichia coli bioingegnerizzato può produrre elettricità metabolizzando una varietà di substrati organici.
Una delle innovazioni chiave dello studio è la creazione di un percorso EET completo all'interno dell'Escherichia coli, un'impresa mai raggiunta prima. Integrando componenti di Shewanella oneidensis MR-1, un batterio famoso per la generazione di elettricità, i ricercatori sono riusciti a costruire un percorso ottimizzato che attraversa le membrane interne ed esterne della cellula. Questo nuovo percorso ha superato i precedenti approcci parziali e ha portato a un aumento di tre volte nella generazione di corrente elettrica rispetto alle strategie convenzionali.
Le acque reflue come parco giochi
È importante sottolineare che l'Escherichia coli ingegnerizzato ha mostrato prestazioni notevoli in vari ambienti, comprese le acque reflue raccolte da un birrificio. Mentre i microbi elettrici esotici vacillavano, l’Escherichia coli modificato prosperava, dimostrando il suo potenziale per il trattamento dei rifiuti su larga scala e la produzione di energia.
«Invece di immettere energia nel sistema per trattare i rifiuti organici, stiamo producendo elettricità e processando allo stesso tempo questa tipologia di rifiuti – prendendo due piccioni con una fava!» dice la professoressa Boghossian. «Abbiamo anche testato la nostra tecnologia direttamente sulle acque reflue raccolte da Les Brasseurs, un birrificio locale a Losanna. I microbi elettrici esotici non erano nemmeno in grado di sopravvivere, mentre i nostri batteri elettrici bioingegnerizzati sono stati in grado di prosperare in modo esponenziale nutrendosi di questi rifiuti».
Le implicazioni dello studio vanno oltre il trattamento dei rifiuti. Essendo in grado di generare elettricità da un’ampia gamma di fonti, l’Escherichia coli ingegnerizzato può essere utilizzato nelle celle a combustibile microbiche, nell’elettrosintesi e nel biosensing, per citare alcune applicazioni. Inoltre, la flessibilità genetica del batterio significa che può essere adattato per adattarsi ad ambienti e materie prime specifici, rendendolo uno strumento versatile per lo sviluppo tecnologico sostenibile.
«Il nostro lavoro è piuttosto tempestivo, poiché i microbi bioelettrici ingegnerizzati stanno ampliando i confini in un numero sempre maggiore di applicazioni nel mondo reale», afferma il dottor Mohammed Mouhib (3), l’autore principale del manoscritto. «Abbiamo stabilito un nuovo record rispetto al precedente stato dell’arte, che si basava solo su un percorso parziale, e rispetto al microbo utilizzato in uno dei più grandi articoli recentemente pubblicati sul campo. Con tutti gli attuali sforzi di ricerca nel campo, siamo entusiasti del futuro dei batteri bioelettrici e non vediamo l’ora di attuare questa tecnologia anche su nuove progettualità».
Riferimenti:
(2) Extracellular electron transfer pathways to enhance the electroactivity of modified Escherichia coli
(3) Mohammed Mouhib
Descrizione foto: Mohammed Mouhib and Melania Reggente - Credit: Jamani Caiilet © 2023 EPFL.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Bacteria generate electricity from wastewater