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Questi batteri trasformano i composti tossici in oro puro

Come una sorta di pietra filosofale, 'Delftia acidovorans' e 'Cupriavidus metallidurans' metabolizzano gli ioni tossici.

di Silvia Kuna Ballero
09 febbraio 2018, 10:58am

Immagine: American Society for Microbiology

Forse non sarà un modo per diventare ricchi, ma esistono due specie batteriche che agiscono come una sorta di pietra filosofale: "trasmutano" composti di metalli tossici in pepite d’oro a 24 carati di dimensioni microscopiche. I loro nomi sono Delftia acidovorans e Cupriavidus metallidurans e sono stati scoperti all’interno di sottili pellicole di materiale organico e inorganico, dette biofilm, che rivestono le pepite d’oro e contengono diverse comunità batteriche. L’analisi dei campioni di biofilm ha permesso di stabilire che le due specie indicate sono dominanti nelle comunità, costituendo oltre il 90% delle popolazioni batteriche sulle pepite.

Nonostante l’oro sia un metallo nobile generalmente considerato desiderabile, i suoi ioni sono molto tossici e inibiscono la crescita e proliferazione dei microrganismi, quindi i batteri che vivono in presenza dell’oro devono aver sviluppato una qualche forma di resistenza a questo metallo. D. acidovorans e C. metallidurans hanno entrambi sviluppato dei meccanismi — detti di biomineralizzazione — con cui riescono a trasformare gli ioni tossici in oro massiccio non solubile e non tossico. Nonostante il risultato sia analogo, i meccanismi sono diversi.

Delftia acidovorans, che occasionalmente causa anche infezioni nell’uomo, è dotato di un meccanismo metabolico illustrato nel 2013 sulla rivista Nature Chemical Biology da parte di un’équipe canadese. Il batterio secerne una proteina, chiamata delfibactina A, nell’area immediatamente circostante; la delfibactina reagisce con gli ioni dell’oro e ne causa la precipitazione, ossia l’accumulo in forma solida, inerte dal punto di vista biologico, in granuli il cui diametro va dai 25 ai 50 nanometri circa. Si pensa che questo batterio abbia colonizzato le acque con concentrazione relativamente alta di oro disciolto in forma ionica, poiché la loro presenza li rende tossici per altri microrganismi e pertanto costituiscono una nicchia ecologica libera.

Invece, Cupriavidus metallidurans utilizza un meccanismo che neutralizza l’oro all’interno della cellula. In questo contesto, assume importanza il concetto di tossicità sinergica di due metalli, in questo caso l’oro e il rame. “La cellula di C. metallidurans è in grado di assorbire gli ioni di rame presenti nell’ambiente al di fuori della cellula, e deve farlo perché è un elemento fondamentale per il metabolismo cellulare”, spiega Nicola Di Fidio, dottorando presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell'Università di Pisa. Il rame infatti, come diversi altri metalli (ferro, zinco, magnesio e via dicendo) si lega in forma ionica a numerosi enzimi della cellula e ne permette l’attività.

“In presenza di elevate concentrazioni di rame nell’ambiente esterno, il metallo tende a entrare nella cellula in quantità eccessive, esercitando un effetto tossico tipico dei metalli pesanti. Per evitarlo, la cellula attiva un altro enzima, detto pompa CupA, presente all’interno della membrana cellulare (il rivestimento esterno della cellula, NdR) che elimina gli ioni di rame in eccesso”.

Immagine: Wikimedia Commons di CSIRO, licenza CC BY 3.0. Didascalia: Immagine al microscopio elettronico di una pepita d’oro, che mostra strutture a forma di batterio.

Qui entra in gioco l’effetto tossico dell’oro: “Se nell’ambiente esterno è presente anche l’oro ionizzato, esso è in grado di penetrate nella cellula di C. metallidurans usando gli stessi canali del rame. In particolare, una volta attraversata la parte esterna della membrana, assume una forma ionica che “spegne” l’enzima CupA. Con la pompa non funzionante, rame e oro si accumulerebbero all’interno della cellula provocandone la morte”.

Per evitare tutto ciò, questa specie batterica ha messo a punto un’ulteriore strategia. “Questo batterio è dotato di un ulteriore enzima, chiamato Cu(I)-ossidasi CopA, che riduce l’oro dalla forma ionica alla forma neutra, l’oro metallico che conosciamo. Questa forma solida non è in grado di attraversare alcuna membrana; l’oro resta bloccato all’interno della membrana cellulare sotto forma di nanoparticelle. In questo modo la cellula ha il tempo di smaltire con calma tutto il rame in eccesso senza subirne la tossicità.”

Questi meccanismi, osservati nel dettaglio da un gruppo di ricerca australiano e tedesco, sono stati descritti in un articolo pubblicato sulla rivista Metallomics la scorsa settimana. Grazie ai suoi espedienti metabolici, C. metallidurans è in grado di prosperare in ambienti ricchi di metalli pesanti e di estrarre l’oro dai composti tossici, formando pepite nanometriche sulla sua superficie: la biomineralizzazione di cui parlavamo.

Naturalmente, abbiamo chiesto se questa scoperta può avere dei risvolti utili dal punto di vista tecnologico. “Certo”, ha risposto Nicola, ”come tutte le altre specie di microbi in grado di accumulare metalli pesanti all'interno delle proprie cellule, l'applicazione più immediata sarebbe quella in processi di risanamento ambientale, sia di corpi d'acqua sia di suoli. Tuttavia, un'altra applicazione potrebbe essere anche quella di recupero dell'oro dai dispositivi elettronici in un'ottica di economia circolare.”

Nel 2013, Cupriavidus metallidurans è stato anche oggetto di un’installazione artistica, The Great Work of the Metal Lover, in cui il batterio, nell’arco di una settimana, ha trasformato in diretta cloruro aureo tossico in una pepita di oro 24 carati riutilizzabile.

Immagine: per gentile concessione University Halle-Wittenberg (MLU) / American Society for Microbiology
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