Dipingere con i batteri: la Monnalisa ricreata al microscopio.

I batteri sono microrganismi che abitano una grande varietà di ambienti, tra cui il nostro corpo. Da tempo si considera l’idea di imparare a controllare i batteri che vivono nel corpo umano in modo da poterli usare a scopo medico. È di interesse, quindi, sviluppare tecniche che permettano di gestire popolazioni di batteri a proprio piacimento. In questo articolo parleremo del controllo dei batteri tramite l’uso della luce.

Nel 2000 tramite l’analisi genomica di una specie di batteri marini è stato scoperto un particolare micromotore alimentato dalla luce, chiamato proteorodopsina. Tramite la proteorodopsina i batteri usano la luce per ricaricare le proprie batterie, che a loro volta sono collegati ai flagelli, sottili filamenti che ruotando muovono il batterio. In altre specie di batteri le batterie non vengono ricaricate tramite la luce, ma attraverso l’ossigeno, ovvero i batteri respirano per muoversi. Fra questi ci sono gli Escherichia Coli, microrganismi che abitano abbondantemente il nostro corpo e il cui genoma è del tutto noto, il che li rende particolarmente utile in ambito sperimentale. Infatti, è possibile modificare geneticamente gli E. Coli affinché producano proteorodopsina. A questo punto questi E. Coli modificati hanno due carburanti per muoversi, l’ossigeno e la luce. Se privati dell’ossigeno, cominceranno a reagire unicamente alla luce, e potranno essere completamente controllati da questa: parliamo di batteri fotocinetici. Nello specifico, sotto la condizione di assenza di ossigeno, l’intensità della luce a cui sono esposti regolerebbe la velocità rotazionale dei flagelli, e quindi la velocità dei batteri: in assenza di luce il batterio resta fermo, mano a mano che l’intensità della luce aumenta il batterio si muove più velocemente. Questo è quanto viene fatto da un team di fisici italiani dell’università La Sapienza in una serie di esperimenti che usano la luce per controllare questi microrganismi e arrivare a risultati interessanti. 

Qualche anno fa il team ha utilizzato questa tecnica per riproporre una particolare versione in miniatura del famoso dipinto di Leonardo Da Vinci, La Gioconda: si tratta di un dipinto completamente composto da batteri. È possibile, quindi, “disegnare” con i batteri. Come si svolge l’esperimento? Innanzitutto si preparano E. Coli geneticamente modificati come descritto prima. Questi vengono poi inseriti in un vetrino che viene sigillato in modo tale da non permettere all’ossigeno di entrare. Dopo qualche minuto i batteri consumano l’ossigeno rimasto all’interno del vetrino e si ritrovano in un ambiente completamente anaerobico: adesso è possibile usare la luce per controllare il loro movimento. Viene scelta una certa regione del vetrino, in base alla densità dei batteri e alla presenza o meno di “grumi”, ovvero microrganismi attaccati al vetrino e tra loro. Su questa regione viene proiettata un’immagine in negativo della Monnalisa. A questo punto viene incontro una legge, valida per questa situazione, che descrive il rapporto tra la velocità dei batteri in una certa posizione nello spazio e la loro densità nello stesso punto: questa legge dice che il prodotto tra la velocità e la densità dev’essere costante.

Dovendo essere il prodotto tra la velocità e la densità costante, se la velocità aumenta la densità deve diminuire e viceversa. Quindi, in una regione dello spazio dove la luce è molto intensa, ovvero la velocità è alta, la densità dev’essere bassa rispetto ad una regione in cui c’è poca luce e i batteri si muovono lentamente. Pertanto quello che succede è che gli E. Coli vanno ad accumularsi nelle regioni non illuminate mentre sfuggono dalle regioni luminose. Dopo aver proiettato l’immagine del dipinto nel giro di pochi minuti i batteri si dispongono secondo questa legge e ricreano la figura. Il processo avviene tanto rapidamente perché gli Escherichia Coli sono microrganismi molto veloci, capaci di percorrere più di dieci volte la propria lunghezza in un secondo. Si è ottenuto, quindi, una rappresentazione realistica dell’opera leonardesca, composta però da batteri.

Questo esperimento permette di mettere in mostra le potenzialità che c’è nell’uso di microrganismi fotocinetici. Tuttavia questo è solo il primo passo. Un’osservazione che si può avanzare è che a seguito di un esperimento come quello che abbiamo appena descritto, dove l’elemento principale è la proiezione di un’immagine statica su una popolazione di batteri, si ottiene una mappa di batteri in un cui le regioni più dense sono quelle meno “attive”, ovvero dove i batteri si muovono di meno, e viceversa. In certe situazioni potrebbe invece utile aver regioni molto dense di E. Coli attivi. Recentemente lo stesso team di ricercatori italiani ha sviluppato una tecnica per radunare i batteri in zone illuminate, ottenendo appunto regioni molto attive e molto dense. Questo è possibile abbandonando l’idea di un’immagine di luce statica e utilizzando proiezioni dinamica, ovvero mutevoli nel tempo. Attraverso queste proiezioni dinamiche è possibile seguire singolarmente ogni batterio e guidarlo verso la regione desiderata, ad esempio una zona illuminata: questo procedimento genera un flusso di E. Coli verso la regione illuminata che contrasta il flusso di batteri che tende ad uscirne. 

Sviluppando ulteriormente il controllo di popolazioni batteriche fotocinetiche potrà essere utile in ambito medico per la costruzione di microstrutture adibite al trasporto di minuscole componenti biologiche all’interno di laboratori biomedici miniaturizzati.

Giulia Proia

Sono dottoranda in fisica presso l’università Sapienza di Roma, dove ho anche conseguito la laurea triennale e magistrale. Il mio campo di specializzazione è la biofisica, ovvero la fisica applicata all’analisi di sistemi biologici, e in particolare studio sistemi di batteri usando il machine learning. Sono appassionata di letteratura, cinema e musica, e per questo credo fortemente nei mezzi di comunicazione e di conseguenza nella divulgazione. Sono qui per dare il mio piccolo contributo nell’enorme compito che è la condivisione della conoscenza.