Grazie alla biotecnologia
pane sempre fresco
e detersivi innovativi

Attraverso le informazioni contenute nel DNA e l'isolamento
degli estremofili si sono fatte delle scoperte che hanno
suscitato l'interesse delle industrie alimentari e cosmetiche

Watson e Crick, padri del DNA, di certo non l'avrebbero mai immaginato: finire in lavatrice o nella mano di un fornaio. Sì, perché partendo proprio dalle informazioni contenute nel cuore del DNA, studiato dai due ricercatori, si è arrivati oggi, con lo sviluppo della biotecnologia, ad attivare l'interesse di industrie cosmetiche ed alimentari. La ricerca fatta a Napoli presso l'Istituto di Chimica di Molecole di Interesse Biologico (ICMIB) del CNR di Arco Felice, è volano nel settore.

Ma cosa sono innanzitutto gli estremofili? Vivono in ambienti che siamo abituati a considerare sterili, caratterizzati da parametri chimico-fisici peculiari come alta temperatura, pensate, prossima o superiore a 100 °C, bassa temperatura, prossima agli 0 °C o anche di molto inferiore, salinità fino al 20%, acidità e alcalinità elevate, pressioni elevate (come quelle che si creano a 5000-6000 metri di profondità), carenza di ossigeno, presenza di contaminanti tossici, alto grado di disidratazione. Gli estremofili sono generalmente procarioti e sono sia batteri (Dominio Bacteria) che archeobatteri (Dominio Archaea).

Sebbene gli estremofili siano conosciuti da ben più di 40 anni, solo oggi molte delle specie estremofile isolate sono oggetto di notevole interesse da parte dell'industria perché essi potrebbero essere impiegati per lavare in acqua fredda, per sbiancare la carta, per raffinare il petrolio, per preparare pane che non indurisce. Grazie alle peculiari caratteristiche chimico-fisiche dei loro enzimi.

Tra i più promettenti di questi organismi sicuramente vanno ricordati gli "ipertermofili", quelli che quando la temperatura è inferiore agli 80 °C "muoiono di freddo". Il microorganismo più termofilo isolato e coltivato in laboratorio è il Pirolobus fumarii (temperatura ottimale 106 e massima di crescita 113), isolato dai camini "black smokers", formatosi per la presenza di attività geotermica nei fondali marini ad elevate profondità. Tali ambienti sono stati scoperti da poco più di 16 anni nei fondali degli oceani Atlantico e Pacifico. Il campionamento e lo studio della biodiversità di tali "habitat" sono stati resi possibili dall'impiego di sommergibili, che hanno anche messo in evidenza la presenza, in tali ambienti abissali, di un abbondante popolazione animale. La vita microbica rappresenta così la base della catena alimentare. Gli ipertermofili potrebbero essere i discendenti degli antichi progenitori della vita sulla terra, quando essa era calda, priva di ossigeno e ricca di sale. Le recenti ipotesi della vita sul satellite Europa del pianeta Giove sono legate al fatto che in esso sono visibili zone discontinue nel manto di ghiaccio, che potrebbero essere dovute a temperature elevate nel sottosuolo. Ove vi è acqua calda potrebbe insomma essersi sviluppata la vita!

I termofili colonizzano gli ambienti più vari e, nonostante la loro alta temperatura di crescita, essi possono sopravvivere per lungo tempo a temperatura ambiente. Questa abilità può essere essenziale per la loro diffusione attraverso la fredda atmosfera e idrosfera. Ciò permette anche l'isolamento di termofili dalle acque fredde del mare di Beaufort e da quelle del Pacifico, vicino al vulcano MacDonald Sea Mount. Nella base di East-Paris, in Alaska, sono stati isolati, nei giacimenti di petroli, ipertermofili differenti filogeneticamente tra di loro. Si pensa che questi microorganismi si siano depositati all'origine della formazione dei petroli stessi e siano sopravvissuti alle varie ere geologiche. I termofili sono i "classici" colonizzatori degli ambienti geotermici con fenomeni di vulcanismo secondario. Sono stati isolati da tutti gli ambienti di questo tipo fino ad oggi analizzati, mostrando una grande biodiversità filogenetica. Queste ricerche sono state effettuate in America, in Nuova Zelanda, in Antartide, nelle zone vulcaniche dei Monti Rittmann, Melbourne ed Erebus. Il CNR di Arco Felice ha quindi avuto un ruolo importante in tali studi.

Microscopia elettronica a scansione dell'archeobatterio termoacidofilo Sulfolobus solfataricus

Sulla scala opposta della temperatura vi sono gli psicrofili, microorganismi capaci di vivere da temperature sotto lo zero o prossime ad esso, fino anche a 20-25 °C. Essi colonizzano gli ambienti più disparati e sono filogeneticamente molto diversi. Il più resistente al freddo è un microorganismo denominato "Cryptoendolite", Polaromonas vacuolata, che abita nelle rocce Antartiche e sopporta temperature di 50 °C sotto lo zero.

L'uso empirico dei microorganismi per l'ottenimento di beni e benefici per l'uomo è molto antico, ancora prima che nascesse la microbiologia come scienza ufficiale. La prova più antica dell'utilizzo dei microorganismi per la vinificazione, ad esempio, è stata trovata in alcuni residui di un fondo di un vaso di argilla trovato fra i resti di un villaggio neolitico in Iran, di circa 7000 anni fa (Nature 1996). L'utilizzo degli estremofili nelle biotecnologie è invece recente ed è venuto non in modo empirico, come è accaduto per i microorganismi "convenzionali", ma dopo uno studio accurato del loro metabolismo e delle proprietà degli enzimi, proteine, lipidi ed altri metaboliti. Il primo impiego, nel 1980, è di un enzima termofilo e termostabile, "Taq-polimerasi", che viene purificato dal batterio Thermus aquaticus, isolato più di venti anni fa dal Prof. Thomas Brock. Questa DNA-polimerasi ha permesso di rivoluzionare l'applicazione metodica della PCR (Polymerase Chain Reaction) e di tutte le sue applicazioni che vanno dalla ricerca di base alla diagnostica precoce, alla medicina legale, etc.

Da un altro ipertermofilo archeobatterico, Pyrococcus furiosus, sta per essere messa in commercio un'altra DNA-polimerasi molto termostabile. Lo studio della biodiversità microbica oggi si fa quasi esclusivamente con l'impiego della tecnica della PCR. Questa permette di scoprire in situ i tipi di microorganismi che colonizzano un certo ecosistema. Con la tecnica del DNA ricombinante, dagli acidi nucleici estratti direttamente dai microorganismi di interesse applicativo presenti in consorzio o in un complesso ecosistema, si costruisce una banca genica che permette di ottenere direttamente gli enzimi di interesse biotecnologico senza passare attraverso le fasi dell'isolamento e della crescita massiva delle biomasse microbiche.

È nell'ambito di queste ricerche nuove ed affascinanti che opera a Napoli, al CNR di Arco Felice, il gruppo di ricerca dell'ICMIB. Ha iniziato gli studi sugli estremofili alla fine degli anni '60, quando poco erano conosciuti i termofili, ed erano del tutto sconosciuti gli estremofili e le loro potenzialità applicative.

Il primo microorganismo isolato dal nostro gruppo di ricerca è stato il Bacillus acidocaldarius, oggi Alicyclobacillus acidocaldarius, presente in pozze calde in località Pisciarelli, Napoli, nella conca di Agnano, antico vulcano. Quasi ad indicare la continuità delle nostre ricerche, gli ultimi microorganismi da noi identificati sono le nuove specie del genere Alicyclobacillus, isolate da campioni di suolo, con attività geotermica, del Monte Rittmann in Antartide. Questi microorganismi sono termoacidofili con un pH ottimale di 3.5 ed una temperatura ottimale di 65 °C.

Così, lo studio dei lipidi di membrana ha fortemente caratterizzato il nostro gruppo di ricerca. Tali ricerche sono rivolte alla definizione strutturale di nuove molecole lipidiche, alla loro biosintesi e alla modulazione del profilo lipidico in funzione dei parametri ambientali per comprendere le basi della funzionalità delle membrane biologiche. Inoltre, il profilo lipidico è ampiamente utilizzato come ausilio rapido nella classificazione di nuovi isolati.

Lo studio dei lipidi degli estremofili ha permesso di scrivere un nuovo capitolo nella storia della chimica e biochimica di tali molecole. Il nostro gruppo di ricerca ha infatti messo in evidenza che i lipidi degli isolati ipertermofili, in seguito classificati nel Dominio Archaea, sono basati su legami eterei tra la glicerina o altri polioli più complessi ed alcoli isoprenoidici da 20 a 40 atomi di carbonio. Nessun altro essere vivente ha lipidi di membrana con queste caratteristiche, tranne tutti i microorganismi appartenenti al Dominio Archaea che fino ad oggi sono stati isolati.

È nata a Napoli una banca di estremofili, isolati in varie parti d'Italia, all'estero e da zone geotermali del Continente Antartico. Il gruppo di ricerca dell'ICMIB è attivamente coinvolto nel Programma Nazionale Ricerche in Antartide (PNRA), sin dal 1989. Oggi ha anche una unità operativa nell'ambito del Progetto Europeo "MAST III" rivolto all'isolamento di molecole bioattive da microorganismi termofili marini. Partecipa a diversi Progetti Regionali con finanziamenti europei.