Batteri ingegnerizzati per condurre e produrre energia elettrica: una scoperata dall’Australia

I ricercatori dell’Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW) in Australia hanno ingegnerizzato con successo i filamenti proteici prodotti dai batteri, in modo che possano condurre l’elettricità e persino sfruttarla utilizzando l’umidità dell’aria.

Questa ricerca interdisciplinare, che comprende l’ingegneria proteica e la nanoelettronica, potrebbe un giorno aiutare gli scienziati a sviluppare una ‘elettronica verde’”, si legge in un comunicato stampa dell’università. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Small.

L’elettronica moderna, che è onnipresente, è realizzata con processi ad alta intensità energetica e con componenti estremamente tossici. Questi sono necessari per facilitare il movimento degli elettroni all’interno del dispositivo e per svolgere il lavoro.

D’altra parte, anche diversi eventi in natura richiedono il movimento degli elettroni. Per esempio, nel processo di fotosintesi che le piante utilizzano per produrre il loro cibo, la clorofilla sposta gli elettroni attraverso varie molecole proteiche. Anche i sistemi batterici trasferiscono gli elettroni attraverso le membrane, utilizzando filamenti conduttori chiamati nanofili.

Integrazione dell’Heam nella struttura dei batteri

Ingegneria batterica per i nanofili

I nanofili batterici possono condurre l’elettricità e potenzialmente possono essere utilizzati per ideare sistemi di rilevamento. Tuttavia, dopo essere stati raccolti dai batteri, questi nanofili sono difficili da modificare e, quindi, hanno una funzionalità limitata.

“Per superare queste limitazioni, abbiamo ingegnerizzato geneticamente una fibra usando il batterio E. coli”, dice Lorenzo Travaglini, ricercatore post-dottorato presso l’UNSW che ha partecipato al lavoro.

“Abbiamo modificato il DNA di E. coli in modo che il batterio non solo producesse le proteine di cui aveva bisogno per sopravvivere, ma costruisse anche la proteina specifica che avevamo progettato, che poi abbiamo ingegnerizzato e assemblato in nanofili in laboratorio”, ha spiegato Travaglini nel comunicato stampa.

È interessante notare che questa molecola aggiuntiva che rende i nanofili altamente conduttivi è l’Haem, una struttura circolare a base di ferro che si trova comunemente nel sangue degli animali e che viene utilizzata per trasportare l’ossigeno a diverse parti del corpo. L’Haem  è una molecola presente nell’emoglobina

Creare elettricità dall’aria

Il team dell’UNSW ha approfondito la ricerca sui nanofili batterici, che ha dimostrato che quando le molecole di ematite sono disposte a stretto contatto, possono anche eseguire il trasferimento di elettroni. Travaglini e il suo team hanno integrato l’ematite nei loro filamenti ingegnerizzati, sperando che gli elettroni saltassero tra le molecole di ematite se posizionate sufficientemente vicine l’una all’altra.

Misurando la conduttanza dei filamenti in presenza e in assenza di molecole di Haem, i ricercatori hanno confermato che la molecola a base di ferro rendeva la proteina conduttiva.

Durante i test approfonditi, i ricercatori hanno scoperto che la corrente elettrica era più forte quando le condizioni ambientali erano comprese tra il 20 e il 30 percento di umidità.

Quando i test sono stati ripetuti con quantità crescenti di materiale conduttivo inserito tra gli elettrodi, i ricercatori hanno confermato che l’umidità creava un gradiente di carica attraverso il materiale e generava corrente aggiuntiva senza applicare un potenziale supplementare.

I ricercatori hanno poi ideato un sensore di umidità che generava corrente elettrica quando una corrente d’aria passava sui batteri, anche attraverso un respiro.

Il team sta ora esplorando come le proprietà delle loro proteine possano essere regolate modificando la struttura dell’ematoma o l’ambiente del filamento. In un esperimento, i ricercatori stanno utilizzando molecole sensibili alla luce per facilitare il trasferimento di elettroni.

Travaglini ha sottolineato che la ricerca è ancora nelle fasi iniziali e che ci vorrà del tempo prima che diventi parte dell’elettronica quotidiana.

“È davvero una questione di applicazione pratica”, ha aggiunto nel comunicato stampa. “Non sappiamo quanto tempo ci vorrà esattamente, ma possiamo vedere che stiamo andando nella giusta direzione”.