Batteri produttori di materiali
Sin dalla loro scoperta, avvenuta lo scorso anno ad opera di tre chimici vincitori del Premio Nobel, le strutture metallo-organiche (MOF, Metal-Organic Framework) sono state al centro dell’attenzione nel campo della scienza dei materiali. Le MOF sono materiali altamente ordinati, costruiti secondo un principio simile a quello dei mattoncini da costruzione. Gli ioni metallici fungono da giunti e le molecole organiche da elementi di collegamento, permettendo a questi materiali di formare una struttura che si ripete all’infinito. «Le MOF aprono la strada alla progettazione di nuovi materiali su misura in grado di catturare l’anidride carbonica, catalizzare reazioni chimiche e condurre elettricità», afferma Filip Meysman, professore e biologo presso l’Università di Anversa(si apre in una nuova finestra). Questa nuova capacità è certamente importante per l’umanità. Eppure, siamo leggermente in ritardo: i batteri, infatti, producono MOF già da 600 milioni di anni. «In qualche modo l’evoluzione ha avuto esattamente la stessa idea dei chimici vincitori del Premio Nobel», aggiunge Meysman. Attraverso il progetto PRINGLE(si apre in una nuova finestra), finanziato dal Consiglio europeo per l’innovazione(si apre in una nuova finestra), Meysman sta guidando uno studio volto a comprendere meglio i batteri produttori di MOF.
Un cavo, un filo elettrico, o un batterio?
I «batteri-cavo» produttori di MOF, un tipo speciale di microbi che prosperano nei sedimenti fangosi di fiumi, laghi e oceani, possiedono la capacità unica di generare e condurre elettricità. «Circa 15 anni fa, gli scienziati hanno notato che nel fondale marino circolavano correnti elettriche», spiega Meysman. «Si è scoperto che queste venivano condotte all’interno di batteri lunghi pochi centimetri.» Secondo Meysman, i batteri-cavo agiscono come cavi viventi, trasportando elettroni su distanze dell’ordine dei centimetri. «I batteri-cavo, essenzialmente, hanno una rete di linee elettriche incorporata nell’involucro cellulare, con sottili fibre conduttive che corrono in parallelo lungo l’esterno dei filamenti lunghi un centimetro.» La scienza sa che questa capacità unica aiuta i batteri a sopravvivere nei sedimenti privi di ossigeno in cui vivono, ma è ancora ignoto il modo in cui conducono le correnti elettriche.
Dai batteri alle strutture metallo-organiche
Per contribuire a rispondere a questa domanda, il progetto PRINGLE ha usato una serie di tecniche dettagliate di microscopia e spettroscopia. Una delle prime scoperte è stata che le fibre conduttive dei batteri sono molto simili ai cavi di alimentazione usati per ricaricare uno smartphone, ma sono 20 000 volte più piccole. «Proprio come i fili di rame intrecciati in un cavo di alimentazione, al centro di ogni fibra c’è un fascio di nanonastri intrecciati, circondato da uno strato proteico protettivo», osserva Meysman. Come spiega Meysman, questa struttura a nanonastri non è mai stata osservata prima e funge da autostrada, miniaturizzata ma molto efficiente, per il trasporto degli elettroni. «Una sorpresa ancora più grande è stata che gli stessi nanonastri erano costituiti da un materiale MOF», afferma. «Fino ad ora non si sapeva che la biologia potesse produrre un materiale del genere.»
I batteri-cavo sono chimici eccellenti
In definitiva, la ricerca del progetto dimostra che i batteri a cavo sono chimici estremamente capaci. «Il materiale MOF a nanonastri proveniente dai batteri-cavo è tra i materiali MOF più conduttivi mai prodotti», osserva Meysman. Questa scoperta non solo getta le basi per la sintesi di ispirazione biologica dei MOF, ma suggerisce anche un nuovo principio di progettazione per materiali elettronici sostenibili. In merito a questo aspetto, l’équipe del progetto PRINGLE sta ora valutando se i chimici possano progettare materiali MOF di ispirazione biologica e in che modo questi possano essere usati nelle nuove tecnologie elettroniche o nelle batterie. «Chissà, forse un giorno troverete un materiale del genere all’interno del vostro smartphone», conclude Meysman. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su «Nature Communications»(si apre in una nuova finestra).
