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MEMBRANE PROTEINS OF ELECTROACTIVE BACTERIA PROBED AT LIPID LAYERS ONTO MODIFIED ELECTRODES

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Una piattaforma sperimentale migliora la comprensione delle celle a combustibile microbiche

I dispositivi bioelettrochimici sfruttano la capacità unica dei batteri di catalizzare le reazioni redox. Con applicazioni nel campo del biorisanamento, del trattamento delle acque reflue e delle celle a combustibile microbiche, possono offrire una soluzione «verde» alternativa nel settore dell’energia.

Ricerca di base
Salute

I batteri elettroattivi possono collegare direttamente il loro metabolismo respiratorio al loro ambiente extracellulare trasferendo elettroni attraverso le membrane biologiche agli elettrodi. I batteri elettroattivi fungono pertanto da catalizzatori di elettrodi a basso costo e le strategie per promuovere il loro attaccamento e agevolare il trasferimento di elettroni potrebbero migliorare significativamente le prestazioni dei dispositivi bioelettrochimici.

Approfondire l’attività proteica batterica elettroattiva

Attualmente, ci manca una comprensione fondamentale del meccanismo di trasferimento di elettroni/protoni nei batteri elettroattivi. Alcuni di questi processi possono avere effetti deleteri sul metabolismo e sulla stabilità del biofilm, limitando così l’utilità dei biofilm catalitici. Sappiamo che questo processo è agevolato dalle proteine di membrana di struttura complessa con proprietà redox. Lo scopo del progetto MELBA, finanziato dall’UE, era quello di migliorare queste conoscenze e sfruttare le proprietà di trasferimento di carica delle proteine​da batteri elettroattivi Gram-negativi in​applicazioni biotecnologiche. Con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, gli scienziati hanno progettato una piattaforma elettrochimica per studiare l’attività di proteine specifiche estratte dai batteri. «Ci siamo concentrati su proteine​di batteri elettroattivi, microrganismi che non fanno affidamento sull’ossigeno per respirare (come noi esseri umani o come altri batteri aerobici) ma sulla riduzione di solidi extracellulari quali gli ossidi di ferro», spiega Frédéric Barrière, coordinatore del progetto. La piattaforma comprendeva un elettrodo ricoperto di lipidi naturali in modo che potesse ospitare la proteina transmembrana sotto esame in modo biomimetico. Hanno anche rivestito l’elettrodo con molecole sensibili al pH quali i chinoni per studiare il trasferimento di elettroni e protoni dei batteri elettroattivi. «Abbiamo dimostrato con un modello di proteina redox che questo concetto funziona e che potremmo misurare con lo stesso elettrodo sia il trasferimento di elettroni che quello di protoni», continua Barrière. L’immobilizzazione del citocromo c nel deposito lipidico supportato sulla superficie dell’elettrodo di carbonio ha permesso di studiare il suo comportamento elettrochimico mediante voltammetria ciclica. Estelle Lebègue, borsista del progetto MELBA, ha in programma di estendere questo lavoro e impiegare la piattaforma per studiare ulteriormente varie proteine​di membrana che ha purificato dai batteri elettroattivi.

Prospettive future per la tecnologia MELBA

I sistemi bioelettrochimici microbici sono molto promettenti per supportare la transizione all’energia verde in futuro. In via di principio, questi dispositivi possono essere implementati negli impianti di trattamento delle acque reflue per pulire l’acqua mediante ossidazione dei rifiuti organici mentre si produce elettricità. Tuttavia, le loro prestazioni sono attualmente troppo basse per poter essere applicate su larga scala, il che richiede un’analisi più fondamentale e applicata dei batteri e dei fattori che influenzano la vitalità del biofilm catalitico. La piattaforma MELBA ha il potenziale per contribuire a una migliore comprensione dei batteri elettroattivi e delle loro proteine​per l’uso in dispositivi elettrochimici. Lo studio delle proteine redox con capacità di trasporto extracellulare di protoni migliorerà la vitalità dei microrganismi elettroattivi e dei biofilm catalitici. In futuro, la piattaforma può estendersi per sondare l’attività degli ionofori immobilizzando sensori di ioni appropriati sulla superficie dell’elettrodo. Nel complesso, la piattaforma MELBA coadiuverà le applicazioni biotecnologiche che utilizzano microrganismi elettroattivi per la catalisi quali le celle a combustibile microbiche o le celle elettrolitiche microbiche. Considerando che le strategie di energia rinnovabile alternative stanno diventando una priorità a causa delle preoccupazioni relative ai cambiamenti climatici, il miglioramento delle prestazioni dei batteri nelle celle a combustibile contribuirà a far fronte all’attuale dipendenza dall’elettricità basata sui combustibili fossili.

Parole chiave

MELBA, batteri elettroattivi, proteina, elettrodo, elettrochimico, membrana, dispositivo elettrochimico, trasferimento di protoni, trasferimento di elettroni, estratto

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