Alcune cellule di Escherichia coli sono state in grado di crescere respirando attraverso l’ossidazione dei materiali circostanti.

Un gruppo di ricercatori americani ha recentemente pubblicato su Cell un articolo relativo alla scoperta di un inatteso meccanismo metabolico in Escherichia coli, microrganismo ben noto agli operatori del settore alimentare per il suo ruolo di contaminante e indicatore di igiene, e modello di laboratorio comune per i microbiologi.

In questo caso però E. coli è finito sotto le luci della ribalta (o del microscopio) per le sue potenzialità energetiche: si è dimostrato in grado di crescere in condizioni anaerobiche, respirando... su un elettrodo!

Fino a poco tempo fa si pensava che la cosiddetta “respirazione extracellulare” – la capacità di espellere elettroni su superfici esterne – fosse prerogativa di microrganismi specializzati, come Shewanella o Geobacter.

La respirazione extracellulare batterica è un processo in cui i batteri trasferiscono elettroni a un accettore finale situato al di fuori della loro cellula, spesso utilizzando molecole trasportatrici come flavoproteine e citocromi. 

Questo meccanismo permette ai batteri di produrre energia, anche in assenza di ossigeno, e può essere paragonato al funzionamento di una batteria.

Non è una novità, era già stato osservato in passato in batteri in grado di trasferire energia all’esterno della cellula verso composti minerali anziché verso l’ossigeno (come accade in caso di respirazione aerobica) o altri accettori di elettroni all’interno della cellula (come nel caso di respirazione anaerobica o della fermentazione).

Tuttavia, il nuovo studio ha dimostrato che E. coli può sviluppare un terzo tipo di metabolismo, respirando elettricità! In pratica, cellule di E. coli sono state in grado di crescere respirando attraverso l’ossidazione dei materiali circostanti, utilizzati come accettori degli elettroni in eccesso. Questo è possibile grazie all’idrossinaftochinone (HNQ), una molecola che agisce da navetta elettronica tra la cellula e l’accettore esterno, un anodo nello studio americano.

Grazie all’azione di due enzimi interni, le nitroreduttasi NfsA e NfsB, che trasferiscono elettroni dal NADH all’HNQ, E. coli attiva una forma alternativa di “respirazione” che le consente di sopravvivere e crescere anche in ambienti privi di ossigeno e nitrati, generando elettricità. La capacità del batterio di trasferire elettroni all’esterno è stata associata a una mutazione specifica nel poro di membrana OmpC, suggerendo la possibilità di selezionare o ingegnerizzare ceppi “elettroattivi”.

Questa scoperta apre interessanti scenari per l’industria alimentare e biotecnologica. E. coli è infatti uno degli organismi più utilizzati nella produzione di enzimi, aromi, biomolecole e farmaci.

Avere la possibilità di pilotare la respirazione cellulare mediante stimoli elettrici esterni potrebbe tradursi in processi più efficienti, controllabili e sostenibili.

Non solo: il sistema potrebbe essere sfruttato per creare biosensori o fermentatori bioelettrici in grado di monitorare la qualità di un alimento in tempo reale. Inoltre, comprendere questi nuovi percorsi metabolici potrebbe permettere di prevedere e controllare le condizioni di crescita batterica, ad esempio in alimenti confezionati o fermentati. In un’epoca in cui si punta all’innovazione sostenibile, alla bioenergia e al controllo digitale dei processi biologici, questa elettricità batterica potrebbe trovare applicazioni sorprendenti anche nel settore alimentare.

Benedetta Bottari Professore Associato Microbiologia degli Alimenti Università degli Studi di Parma