I ricercatori del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma hanno messo a punto un sistema composto da batteri fotocinetici che vengono guidati da un fascio di luce verde. Questi microrganismi per mezzo della luce possono essere raccolti, spostati e rimodulati, tornando sempre alle condizioni iniziali una volta terminato il ciclo di lavoro

Di Lucia Nicastro

I ricercatori del Dipartimento di Fisica di Sapienza Università di Roma e dell’Istituto di Nanotecnologie, Nanotec-Cnr, sono riusciti a sfruttare le capacità fotocinetiche di alcuni batteri modificati geneticamente, per sviluppare un sistema capace di farli muovere secondo uno schema predefinito, come avviene con i pesci che vengono attirati durante la notte dalle luci delle lampare.

I batteri scelti per tale esperimento sono batteri di Escherichia coli (E.Coli) modificati geneticamente in modo che producano fotorodopsina. La fotorodopsina è una proteina sensibile alla luce che attiva i flagelli che permettono il movimento dei batteri.

I flagelli non sono altro che l’organo di movimento di molti microrganismi, una sorta di coda o tentacolo che, muovendosi, permette loro di spostarsi nel liquido in cui vivono. Questi possono essere azionati attraverso stimoli chimici o luminosi. In questo esperimento i ricercatori hanno creato un ambiente in cui l’unico stimolo che permette di attivare i flagelli è la luce verde.

Gli scienziati hanno quindi preso questo gruppo di batteri e li hanno osservati, adoperando un microscopio in campo scuro, esaminando il loro comportamento quando si trovano in presenza del fascio luminoso. Hanno subito rilevato che inizialmente i batteri sono orientati in maniera del tutto casuale, o verso la luce o di spalle a essa. Quello che è parso subito evidente è che i batteri orientati verso la luce si muovono molto più velocemente di quelli orientati in senso opposto. Questa condizione si mantiene fintantoché non si verifica qualcosa di simile ad un urto o una caduta che riorienta i batteri che marciavano in senso opposto alla fonte luminosa, facendogli così acquistare velocità in direzione della luce. Questo fenomeno è ben visibile nella figura 1 e 2, in cui si può notare la differenza nell’orientamento iniziale. Osservando le traiettorie (linee bianche) lasciate sullo sfondo scuro durante il movimento, si vede che i batteri orientati verso la luce lasciano una traiettoria più lunga di quelli orientati in senso opposto ad essa.

Un altro passaggio molto interessante che i ricercatori hanno potuto evidenziare è la possibilità di interagire con i gruppi di batteri, detti nuvole batteriche, sia adoperando fasci di luce aventi un diverso raggio sia modulandone l’intensità. Gli scienziati hanno appurato che il numero di batteri che si raccoglie nel raggio luminoso aumenta notevolmente con il diminuire del raggio della fonte luminosa stessa, cioè più il raggio si stringe più i batteri cercano di rimanervi all’interno. (Fig.3)

Hanno inoltre notato che i batteri si disperdono molto velocemente quando si spegne la fonte luminosa e che riconfluiscono nuovamente verso di essa quando questa viene ripristinata.

La formazione di queste nuvole batteriche stabili è un punto fondamentale dello studio. I ricercatori di Sapienza hanno infatti appurato la possibilità di modellare il fascio luminoso in modo tale da fargli assumere diverse configurazioni, spostandolo, sdoppiandolo e riassemblandolo. Il risultato finale è la possibilità di muovere a piacimento le nuvole batteriche, riconducendole alla loro configurazione iniziale senza subire alcun tipo di perdita nel loro numero. (Fig.4)

La realizzazione di questo sistema capace di sfruttare la luce per poter muovere dei batteri all’interno di un sistema liquido è interessante sotto diversi aspetti. Gli ambiti di utilizzo potrebbero essere diversi e numerosi. I ricercatori hanno già pensato al possibile impiego di questa tecnica, per esempio, nel campo della microingegneria in cui il movimento dei batteri potrebbe essere impiegato per azionare delle micromacchine.

Fonti e immagini:

Massana-Cid H, Maggi C, Frangipane G, Di Leonardo R. Rectification and confinement of photokinetic bacteria in an optical feedback loop.

Nat Commun. 2022;13(1):2740.

doi:10.1038/s41467-022-30201-1