Gli scienziati hanno sviluppato un metodo innovativo per produrre grandi quantità di xantommatina, il pigmento naturale che consente ai cefalopodi di mimetizzarsi. Lo studio apre nuove prospettive per applicazioni in cosmetici naturali, materiali sostenibili e tecnologie fotoelettroniche, segnando una svolta nella biotecnologia ispirata alla natura
Xantommatina: il pigmento naturale che rende invisibili polpi e calamari ora è prodotto in laboratorio.
Gli scienziati dell’University of California San Diego hanno fatto un passo importante. Hanno lavorato per sbloccare un superpotere che alcuni grandi maestri del travestimento in natura possiedono già.
Polpi, calamari, seppie e altri cefalopodi sono famosi per come si mimetizzano. Cambiano il colore della pelle per confondersi con ciò che li circonda. Questa capacita di imitazione viene da processi biologici complessi. Coinvolgono la xantommatina, un pigmento naturale.
La xantommatina attira l'interesse degli scienziati da tempo. Anche i militari ci hanno pensato per il suo cambio di colore. Pero e stata dura produrla e studiarla in laboratorio. Questo fino a ora.
Un nuovo studio e uscito su Nature Biotechnology (1). Un team guidato dalla Scripps Institution of Oceanography dell'UC San Diego lo ha scritto. Descrivono una svolta peculiare nella comprensione del mimetismo naturale. Hanno creato un metodo per fare grandi quantità di xantommatina.
Il loro metodo prende spunto dalla natura. Per la prima volta i ricercatori hanno ottenuto una produzione massiccia del pigmento in un batterio. Questo metodo apre interessanti prospettive di utilizzo in tanti materiali e cosmetici come dispositivi fotoelettronici, rivestimenti termici, coloranti e protettori UV. Il nuovo metodo produce fino a mille volte più materiale rispetto a quelli vecchi.
«Abbiamo creato una tecnica nuova che accelera la produzione di un materiale. In questo caso e la xantommatina. Lo facciamo in un batterio per la prima volta», dice il dottor Bradley Moore (2), che è l'autore senior dello studio. Egli è un chimico marino con ruoli alla Scripps Oceanography e alla Skaggs School of Pharmacy dell'UC San Diego. «Questo pigmento naturale conferisce ai polpi e calamari la capacità di mimetizzarsi. Il nostro risultato nel migliorare la produzione e solo l'inizio di qualcosa di grande».
Lo studio è stato finanziato dal National Institutes of Health, dall'Office of Naval Research, dalla Swiss National Science Foundation e dalla Novo Nordisk Foundation.
Gli autori sostengono che la scoperta è molto importante perché aiuta a comprendere questo pigmento unico. Illumina la biologia e la chimica degli animali. La tecnica usata si può applicare ad altre sostanze chimiche: potrebbe spingere le industrie a lasciare i materiali ricavati dai fossili portando a scegliere alternative naturali.
Oltre ai cefalopodi, la xantommatina si trova negli artropodi, negli insetti dalle tonalità arancioni e gialle brillanti e nelle ali della farfalla monarca. I colori rossi vivaci nei corpi delle libellule e negli occhi delle mosche. I cefalopodi, come i calamari della barriera corallina meridionale, cambiano colore alla pelle in un istante utilizzando la xantommatina, quel pigmento naturale.
Le proprietà di colore della xantommatina sono straordinarie, pero resta poco compresa. Il problema è l'approvvigionamento che non funziona bene perché estrarla dagli animali non è efficiente. I metodi di laboratorio tradizionali risultano laboriosi in quanto basati su sintesi chimica con basso rendimento.
I ricercatori del Moore Lab alla Scripps Institution of Oceanography avevano come obiettivo quello di cambiare le cose. Essi hanno collaborato con colleghi dell’University of California San Diego e con il Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability in Danimarca. Il team ha progettato un ciclo di crescita con retroazione che chiamano biosintesi accoppiata alla crescita. Essi hanno bioingegnerizzato il pigmento del polpo in un batterio con una sostanza chimica. Questa metodologia è innovativa rispetto ai modi biotecnologici usuali. Questa nuova dinamica lega la produzione del pigmento alla sopravvivenza del batterio stesso.
«Avevamo bisogno di un approccio del tutto nuovo per questo problema», dice la dottoressa Leah B. Bushin (3), prima autrice dello studio. Ora insegna alla Stanford University e ha svolto la sua attività al Moore Lab della Scripps Oceanography, istituzione in cui ella ha fatto la ricerca. «In pratica, abbiamo ingannato i batteri. Li abbiamo spinti a fare più materiale di quel che serviva».
Di solito, quando si forza un microrganismo a fare un composto estraneo c'è un intenso carico metabolico. Senza sostanziali cambiamenti genetici l'organismo resiste, ma non vuole deviare le sue risorse per qualcosa di strano.
Usando un approccio ispirato alla natura, il professor Bradley Moore dell'UC San Diego e il suo laboratorio hanno prodotto una quantità fino a mille volte superiore di xantommatina rispetto ai metodi tradizionali. Questa scoperta è promettente per progettare materiali dalla natura.
Il gruppo di ricerca ha collegato la sopravvivenza della cellula alla produzione del composto che gli interessava. In questo modo, hanno ingannato il microrganismo spingendolo a generare xantommatina. Hanno preso una cellula geneticamente modificata, una specie di “malata”, che poteva vivere solo producendo il pigmento voluto insieme a un altro elemento chimico, l'acido formico. Ogni volta che la cellula creava una molecola di pigmento, ne faceva anche una di acido formico. Questo acido formico dava energia per la crescita della cellula stessa. Così si formava un ciclo che si reggeva da solo, favorendo la fabbricazione del pigmento.
«Abbiamo impostato il sistema affinché l'attività del percorso ovvero la produzione del composto fosse essenziale per la vita. Se l'organismo non produce xantommatina non cresce», spiega la dottoressa Leah B. Bushin.
Per migliorare ulteriormente la capacità delle cellule di produrre il pigmento, il team ha utilizzato robot per far evolvere e ottimizzare i microbi ingegnerizzati attraverso due campagne di evoluzione adattiva in laboratorio ad alto rendimento, sviluppate dal laboratorio del coautore dello studio Adam Feist, professore presso il Dipartimento di bioingegneria di Shu Chien-Gene Lay presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e scienziato senior presso il Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability. Il team ha anche applicato strumenti bioinformatici personalizzati del Feist Lab (4) per identificare le mutazioni genetiche chiave che hanno aumentato l’efficienza e hanno consentito ai batteri di produrre il pigmento direttamente da un’unica fonte nutritiva.
Il professor Adam Feist spiega: «Questo progetto ci da un'idea di un futuro dove la biologia permette di fare composti e materiali utili in modo sostenibile. Lo fa con automazione all'avanguardia, unione di dati e design basato sui calcoli. In questo lavoro dimostriamo come accelerare le innovazioni nella bioproduzione. Lo facciamo unendo ingegneri, biologi e chimici. Loro usano le tecniche più avanzate per l'ingegneria delle linee cellulari. Così sviluppano e migliorano un nuovo prodotto in poco tempo».
«I metodi tradizionali danno circa cinque milligrammi di pigmento per litro, se va bene», dice Bushin. «Il nuovo metodo ne da tra uno e tre grammi per litro».
Passare dalle fasi di pianificazione alla sperimentazione effettiva in laboratorio ha richiesto diversi anni di lavoro dedicato, ma una volta messo in atto il piano, i risultati sono stati quasi immediati.
«È stato uno dei miei giorni migliori in laboratorio», ha ricordato Leah B. Bushin parlando del primo esperimento riuscito. «Avevo preparato l’esperimento e lo avevo lasciato durante la notte. Quando sono tornata la mattina successiva e mi sono resa conto che aveva funzionato e che stava producendo molto pigmento, ero entusiasta. Momenti come quello sono il motivo per cui faccio scienza».
Il dottor Bradley Moore pensa che questa metodologia biotecnologica cambierà le cose perché è ispirata alla natura, non invasiva. Egli racconta: «Abbiamo davvero rivoluzionato il modo in cui le persone pensano a come si ingegnerizza una cellula. Il nostro approccio tecnologico innovativo ha innescato un enorme salto nella capacità produttiva. Questo nuovo metodo risolve un problema di approvvigionamento e potrebbe ora rendere questo biomateriale molto più ampiamente disponibile».
Sebbene alcune applicazioni di questo materiale siano ancora lontane, gli autori hanno evidenziato il forte interesse del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e delle aziende cosmetiche. Secondo i ricercatori, i collaboratori sono interessati a esplorare le capacità naturali di mimetizzazione del materiale, mentre le aziende di prodotti per la cura della pelle sono interessate a utilizzarlo in creme solari naturali. Altre industrie vedono potenziali utilizzi che vanno dalle vernici domestiche che cambiano colore ai sensori ambientali.
«Guardando al futuro, gli esseri umani vorranno ripensare il modo in cui produciamo materiali per sostenere il nostro stile di vita sintetico di 8 miliardi di persone sulla Terra. Grazie ai finanziamenti federali, abbiamo aperto una nuova via promettente per progettare materiali ispirati alla natura che siano migliori per le persone e per il pianeta», ha concluso Bradley Moor.
Altri autori dello studio sono: Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené and Pablo Nikel from the Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability; Elina Olson from UC San Diego’s Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering; Lara Dürr and Mariah Avila from Scripps Institution of Oceanography at UC San Diego; and Taehwan Kim and Leila Deravi from Northeastern University.
Riferimenti:
(1) Growth-coupled microbial biosynthesis of the animal pigment xanthommatin
(2) Bradley Moore
(3) Leah B. Bushin
(4) Feist Lab
Descrizione foto: Un polipo si mimetizza con il fondale marino. Gli scienziati dell'UC di San Diego hanno scoperto per la prima volta un nuovo modo per produrre grandi quantità di xantommatina, un pigmento naturale utilizzato nel camuffamento degli animali, in un batterio. - Credit: Charlotte Seid.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Produce Powerhouse Pigment Behind Octopus Camouflage