Nanofibre di Gelatina e Collagene: La Ricetta Segreta per Far Proliferare i Batteri nei Bioreattori!

Amici scienziati e curiosi del mondo biotech, mettetevi comodi perché oggi vi racconto una storia affascinante che arriva dritta dritta dai laboratori di ricerca! Parliamo di come possiamo dare una “casa” super accogliente e, soprattutto, a basso costo, ai nostri piccoli amici batteri, quelli che lavorano sodo per noi nelle biotecnologie. Sì, perché far crescere i microrganismi come si deve, per sfruttare tutto il loro potenziale, a volte è una bella gatta da pelare. Ma noi non ci arrendiamo facilmente, vero?

Un’Idea Brillante: Scaffold Nanofibrosi

Ecco che entrano in gioco loro: gli scaffold a base di nanofibre. Immaginateveli come delle impalcature tridimensionali, delle vere e proprie villette a schiera per batteri, create con una tecnica super cool chiamata elettrofilatura. In pratica, spariamo una soluzione polimerica attraverso un campo elettrico ad alta tensione e voilà, otteniamo fibre sottilissime, a volte più piccole di un capello!

Perché tutta questa fatica? Beh, studi precedenti, come quello di Moffa e colleghi nel 2017, ci avevano già mostrato che queste strutture nanofibrose possono essere un toccasana per la crescita di alcuni batteri, come lo Streptomyces lividans. E non solo, anche Velasco-Barraza e il suo team nel 2018 hanno evidenziato come le nanofibre possano promuovere la formazione di biofilm batterici, utilissimi in campo industriale. Ma la domanda che ci frullava in testa era: come la composizione e le proprietà di queste nanofibre influenzano specifici batteri di interesse industriale?

Nel nostro studio, ci siamo concentrati su due polimeri naturali che sono un po’ come fratelli: il collagene (COL) e la gelatina (GEL). La gelatina, per farvela semplice, è collagene parzialmente idrolizzato, quindi più flessibile e solubile. Entrambi sono usatissimi in un sacco di campi: alimentare, cosmetico, fotografico, medico e, ovviamente, nelle colture cellulari e microbiologiche. Il bello della gelatina è che per “filarla” non servono solventi fluorurati, un bel vantaggio! Il collagene, invece, è un po’ più snob e di solito ha bisogno di una “spintarella” da altri polimeri o da solventi particolari per essere elettrofilato da solo.

La nostra scommessa? Creare scaffold di nanofibre GEL/COL che potessero diventare il substrato ideale nei bioreattori per far crescere tre superstar del mondo batterico industriale: Staphylococcus aureus, Escherichia coli e Pseudomonas aeruginosa. Questi piccoletti sono fondamentali: E. coli è un campione nella produzione di proteine ricombinanti ed enzimi, S. aureus produce enzimi e composti antimicrobici di interesse medico, e P. aeruginosa è un mago nel sintetizzare biosurfattanti e biopolimeri utili per il biorisanamento e l’agricoltura. Insomma, dei veri e propri operai specializzati!

Maniche Rimboccate: Come Abbiamo Creato e Testato i Nostri Scaffold

Per prima cosa, abbiamo preparato le nostre “pozioni magiche”: una soluzione di gelatina al 15% in acido acetico (GEL) e poi altre soluzioni aggiungendo diverse percentuali di collagene di pesce (GEL/COL1, GEL/COL5, GEL/COL10). Poi, via con l’elettrofilatura! Abbiamo impostato i parametri (voltaggio a 20 kV, flusso di 0.80 mL/h, distanza collettore-ago di 15 cm) e abbiamo lasciato che la magia accadesse per poco più di un’ora.

Una volta ottenute le nostre membrane nanofibrose, le abbiamo messe sotto la lente d’ingrandimento, o meglio, sotto un microscopio elettronico a scansione (SEM). Volevamo vedere che faccia avessero queste fibre, quanto fossero spesse e quanto fossero porose. E i risultati sono stati incoraggianti: fibre lisce, senza difetti, con diametri che variavano da circa 169 a 235 nanometri. La porosità? Intorno al 50-53%, un bell’ambiente arioso per i nostri batteri! Abbiamo notato che aumentando la concentrazione di collagene, aumentava un po’ il diametro delle fibre.

Ma non ci siamo fermati all’aspetto! Abbiamo voluto testare anche la loro stabilità termica con l’analisi termogravimetrica (TGA) e la calorimetria differenziale a scansione (DSC). La TGA ci ha mostrato come i campioni perdevano peso con l’aumentare della temperatura. Curiosamente, il campione GEL/COL10 degradava un po’ più in fretta all’inizio rispetto al collagene puro di controllo, ma tutti hanno mostrato una buona resistenza al calore, con la degradazione principale che avveniva a temperature elevate (oltre i 350°C per il 50% di perdita di peso). La DSC ha confermato la perdita di umidità intorno ai 73-88°C e ha mostrato alcune transizioni interessanti, soprattutto per il campione di sola gelatina.

Infine, un’occhiata alla composizione chimica con la spettroscopia FTIR. Volevamo assicurarci che non ci fossero residui di solvente (l’acido acetico) e che la struttura base delle proteine fosse mantenuta. E buone notizie: niente acido acetico residuo! I picchi caratteristici delle ammidi (i mattoncini delle proteine) erano tutti lì, a conferma che il processo di elettrofilatura non aveva stravolto la natura dei nostri polimeri. Abbiamo anche notato lievi spostamenti di alcuni picchi con l’aumento della concentrazione di collagene, probabilmente dovuti a diverse interazioni molecolari.

Batteri all’Attacco: I Risultati della Proliferazione

E ora, il momento della verità: i nostri scaffold aiutano davvero i batteri a crescere meglio? Abbiamo messo dei dischetti delle nostre nanofibre in piastre da 96 pozzetti, aggiunto brodo nutriente e le sospensioni batteriche dei nostri tre campioni: E. coli, S. aureus e P. aeruginosa. Poi abbiamo misurato la crescita a 24, 48 e 72 ore.

• Per Escherichia coli: crescita alla grande su tutti i campioni! Addirittura un 20% in più rispetto al controllo (brodo senza fibre) già a 24 ore, e a 72 ore la proliferazione aumentava con l’aumentare della quantità di collagene, arrivando a circa il 55% in più. Niente male!
• Per Staphylococcus aureus: anche qui, dopo 24 ore, una crescita di almeno il 20% in più su tutte le nanofibre. Dopo 48 ore, il campione di sola gelatina (GEL) spiccava con un aumento del 50%! A 72 ore, GEL e GEL/COL1 continuavano a supportare bene la crescita. Curiosamente, con più collagene (GEL/COL5 e GEL/COL10), la proliferazione era minore rispetto al controllo. Forse troppo collagene non piace a S. aureus nel lungo periodo, o magari i nutrienti scarseggiano.
• Per Pseudomonas aeruginosa: qui la storia è un po’ diversa. Nei campioni con collagene (GEL/COL1, GEL/COL5, GEL/COL10), la crescita era addirittura leggermente inferiore al controllo a 24 ore. Anche a 48 e 72 ore, la proliferazione era ridotta rispetto al controllo su quasi tutti i campioni. Tuttavia, le nanofibre di sola gelatina (GEL) hanno mostrato la proliferazione più alta (35% in più rispetto al brodo batterico), anche se questa tendeva a diminuire nel tempo, un po’ come per S. aureus. Questo risultato inaspettato ci suggerisce che forse queste fibre potrebbero avere applicazioni anche nell’ingegneria tissutale, magari per controllare la crescita di questo batterio.

La Prova del Nove: Il Bioreattore

Per simulare condizioni più vicine a quelle industriali, abbiamo fatto un test in un prototipo di bioreattore. Abbiamo usato gli scaffold di sola gelatina (GEL), che sembravano promettenti, e li abbiamo messi sul fondo di beute con brodo nutriente, aggiungendo i nostri batteri. Dopo 24 ore di incubazione con agitazione, i risultati sono stati esaltanti!

• Staphylococcus aureus ha mostrato una proliferazione stratosferica, quasi il 128% in più rispetto al controllo senza nanofibre!
• Escherichia coli non è stato da meno, con un aumento del 40%.
• Anche Pseudomonas aeruginosa ha beneficiato, crescendo il 34% in più.

Questi dati sono super interessanti! S. aureus, che ha un tempo di generazione di circa 27-30 minuti, ha davvero spiccato il volo con le nostre nanofibre di gelatina. Forse queste fibre offrono qualcosa di speciale che a S. aureus piace particolarmente, come siti di adesione specifici (le proteine MSCRAMMs che legano il collagene) o un rilascio graduale di nutrienti (peptidi e amminoacidi dalla gelatina).

Perché Funzionano Così Bene? E Quali Vantaggi?

Ma perché queste nanofibre di gelatina e collagene sono così efficaci? Beh, ci sono diverse ragioni:

• Biocompatibilità eccellente: sono polimeri naturali, quindi i batteri si sentono “a casa”.
• Struttura porosa e ampia superficie: immaginate tanti piccoli anfratti dove i batteri possono attaccarsi, colonizzare e scambiarsi nutrienti e ossigeno. È come avere un attico con vista! Questa struttura mima la matrice extracellulare (ECM) dei tessuti biologici.
• Fonte di nutrienti: la gelatina e il collagene sono ricchi di amminoacidi che possono servire da cibo per i batteri.
• Proprietà meccaniche e di degradazione: la combinazione di gelatina e collagene permette di modulare la stabilità meccanica e la velocità con cui lo scaffold si degrada. Questo è importante perché, in alcuni casi, vogliamo che lo scaffold si dissolva dopo aver fatto il suo lavoro, facilitando la raccolta dei prodotti batterici. Addirittura, scaffold non reticolati possono degradarsi in poche ore o giorni!
• Costo-efficacia e sostenibilità: la gelatina è relativamente economica e abbondante, derivando spesso da sottoprodotti dell’industria alimentare. Il collagene di pesce, sebbene un po’ più costoso, è anch’esso un modo per valorizzare scarti. Usare questi materiali è un bell’esempio di economia circolare!

Rispetto ai film polimerici tradizionali, le nanofibre offrono una superficie specifica molto più alta e una porosità che facilita enormemente lo scambio di sostanze. Pensateci: un film è una superficie piatta, mentre un groviglio di nanofibre è un labirinto tridimensionale pieno di opportunità per i batteri!

Cosa Ci Riserva il Futuro?

Questo studio apre scenari davvero promettenti. L’idea di usare nanofibre di GEL/COL a basso costo per potenziare la crescita batterica nei bioreattori è una novità, soprattutto perché molta ricerca si è concentrata sull’effetto antimicrobico delle nanofibre, piuttosto che sulla promozione della crescita.

Certo, c’è ancora da lavorare. Per esempio, potremmo esplorare l’effetto della reticolazione (cross-linking) delle fibre per renderle ancora più stabili e controllare meglio la loro degradazione. Oppure potremmo modificare la superficie delle fibre per renderle ancora più “appetibili” per specifici ceppi batterici o per guidare la produzione di particolari bioprodotti.

Immaginate le applicazioni: dalla produzione di enzimi industriali, a biocarburanti, a composti farmaceutici, fino al biorisanamento ambientale. E. coli potrebbe produrre più etanolo, S. aureus più enzimi utili, e P. aeruginosa più biosurfattanti per pulire sversamenti di petrolio, il tutto grazie a una “culla” di nanofibre pensata su misura per loro.

In conclusione, i nostri scaffold di gelatina e collagene si sono dimostrati degli ottimi alleati per la crescita batterica, soprattutto quelli a base di sola gelatina per S. aureus. È un passo avanti importante per rendere le biotecnologie più efficienti e sostenibili. E chissà quali altre scoperte ci aspettano continuando a esplorare questo affascinante mondo delle nanofibre!

Fonte: Springer