UV-LED: La Luce che Annienta i Batteri! Scopriamo Insieme le Lunghezze d’Onda Più Efficaci

Avete mai pensato a quanti batteri ci circondano ogni giorno? Sono letteralmente ovunque: nel suolo, nell’acqua, nell’aria, sul nostro corpo, sul cibo e persino in ambienti estremi! Mentre molti sono innocui o addirittura utili, alcuni possono causarci non pochi problemi di salute attraverso infezioni da contatto, alimentari, tramite goccioline o per via aerea. Ecco perché la sanificazione e la disinfezione sono così fondamentali nella nostra vita quotidiana.

Esistono tanti metodi per sterilizzare: calore, prodotti chimici, ozono, vapore ad alta pressione e, naturalmente, la luce ultravioletta (UV). Tra questi, l’UV sta guadagnando sempre più terreno, specialmente perché è un metodo non chimico, che produce pochi sottoprodotti indesiderati e non altera troppo le qualità, ad esempio, del cibo. Pensate che già nel 2000 la FDA americana ha approvato l’UV per controllare i patogeni in alimenti, acqua e bevande.

La Rivoluzione UV-LED

Tradizionalmente, le sorgenti UV più usate sono state le lampade a mercurio (a bassa o media pressione). Tuttavia, a causa delle restrizioni sull’uso del mercurio (è una sostanza pericolosa, ricordiamocelo!), la ricerca si è spostata verso alternative più sicure ed ecologiche. Ed è qui che entrano in gioco loro: i diodi emettitori di luce ultravioletta, meglio noti come UV-LED.

Questi piccoli dispositivi sono fantastici:

• Offrono un’ampia gamma di lunghezze d’onda specifiche.
• Sono compatti e versatili nel design.
• Hanno una lunga durata.
• La loro intensità è regolabile.
• Sono amici dell’ambiente (niente mercurio!).

Non c’è da stupirsi che l’interesse per gli UV-LED per la sterilizzazione di acqua, cibo e ambienti interni sia in continua crescita!

La Sfida: Confrontare le Lunghezze d’Onda

Ok, gli UV-LED sono promettenti, ma qual è la lunghezza d’onda UV più efficace per mettere K.O. i batteri? Sembra una domanda semplice, ma rispondere non è banale. Studi precedenti spesso non riuscivano a fare confronti rigorosi tra lunghezze d’onda molto vicine (parliamo di differenze di pochi nanometri!) perché mancava un sistema standardizzato che tenesse conto di tutte le variabili: le caratteristiche precise del LED, l’alimentazione, la temperatura, l’uniformità del fascio di luce, ecc.

Per questo motivo, nel nostro studio ci siamo posti l’obiettivo di fare chiarezza. Abbiamo utilizzato un sistema di irradiazione UV-LED standardizzato, che avevamo già sviluppato e descritto in lavori precedenti (considerando tutte quelle piccole ma cruciali caratteristiche elettriche e termiche dei LED), per valutare l’effetto di ben 13 diverse lunghezze d’onda UV (da 250 a 365 nm) sull’inattivazione di 10 ceppi batterici differenti. Volevamo capire quali fossero le lunghezze d’onda “killer” per prevenire infezioni e contaminazioni batteriche.

I Batteri Sotto la Lente (e Sotto l’UV!)

Abbiamo selezionato un bel gruppo variegato di batteri, presenti comunemente negli ambienti in cui viviamo, con strutture, habitat e patogenicità diverse:

• Escherichia coli: il “modello” per eccellenza, ma anche causa di infezioni (incluse forme resistenti agli antibiotici).
• Staphylococcus aureus: spesso sulla nostra pelle, può causare intossicazioni alimentari (anche lui con ceppi resistenti).
• Pseudomonas aeruginosa ed Enterococcus faecalis: noti per le infezioni ospedaliere e la resistenza ai farmaci.
• Salmonella enterica Enteritidis, Campylobacter jejuni, Vibrio parahaemolyticus: classici batteri da intossicazione alimentare.
• Legionella pneumophila: legata all’acqua, può causare polmoniti.
• Bacillus subtilis (sia forma vegetativa che spore) e Lactoplantibacillus plantarum: trovati nel suolo e cibo, a volte usati come probiotici, ma il B. subtilis forma spore molto resistenti.

Insomma, un bel banco di prova per i nostri UV-LED!

Risultati Sorprendenti: Il “Punto Debole” dei Batteri

Abbiamo misurato quanta “dose” di UV (fluenza) serviva per ridurre la popolazione batterica di 1, 2 o 3 logaritmi (cioè del 90%, 99% o 99.9%). E qui sono emerse cose molto interessanti.

Innanzitutto, abbiamo notato che i batteri Gram-negativi (come E. coli, Salmonella, Pseudomonas) tendevano ad avere una sensibilità iniziale maggiore rispetto ai Gram-positivi (come Staphylococcus, Enterococcus, Bacillus). Probabilmente, la diversa struttura della loro parete cellulare (lo strato di peptidoglicano più sottile nei Gram-negativi) gioca un ruolo chiave. Fa eccezione E. coli, che mostra una resistenza iniziale simile ai Gram-positivi, forse grazie a meccanismi di riparazione del DNA particolarmente efficienti.

Ma la scoperta più eclatante riguarda le lunghezze d’onda: l’effetto di inattivazione ha mostrato un picco evidente tra 263 e 270 nanometri per tutti i batteri testati! Questa è la zona dello spettro UVC dove i batteri sono risultati più vulnerabili.

Perché Proprio 263-270 nm? La Risposta è nel DNA!

Ci siamo chiesti: cosa succede a livello molecolare in quel range di lunghezze d’onda? La risposta principale sembra essere il danno al DNA. La luce UV, specialmente UVC, è nota per creare dei “legami sbagliati” nel DNA, in particolare i cosiddetti dimeri di pirimidina ciclobutano (CPD) e i fotoprodotti 6-4 (6,4-PP). Questi danni bloccano la replicazione e la trascrizione del DNA, portando alla morte della cellula batterica.

Abbiamo misurato la produzione di CPD nei batteri irradiati e abbiamo trovato una correlazione fortissima (coefficiente di Pearson superiore a 0.9 per la maggior parte dei ceppi!) tra l’efficacia dell’inattivazione a una data lunghezza d’onda e la quantità di CPD prodotti. Il picco di produzione di CPD coincideva proprio con il picco di inattivazione (intorno ai 260-270 nm). Questo suggerisce che l’assorbimento della luce UV da parte delle basi del DNA (in particolare la timina, che assorbe massimo intorno ai 265 nm) sia il meccanismo chiave dietro l’efficacia battericida in questo range. Un’analisi matematica più sofisticata (deconvoluzione di Wiener applicata ai dati di E. coli) ha confermato che l’efficacia massima si ha intorno a 267.6 nm.

Abbiamo anche cercato altri tipi di danno, come lo stress ossidativo (misurando l’8-OHdG) o alterazioni massive delle proteine totali subito dopo l’irradiazione, ma nelle condizioni testate (soprattutto UVC), i danni diretti al DNA come CPD e 6,4-PP sembrano essere i protagonisti principali dell’inattivazione.

UV-LED vs Lampade a Mercurio: Chi Vince?

Un confronto cruciale era quello con le tradizionali lampade a mercurio a bassa pressione (LP-Hg), che emettono principalmente intorno a 254 nm. Abbiamo confrontato una lampada LP-Hg con un nostro UV-LED che emetteva a 253.3 nm (U254 LED), usando la stessa irradianza (intensità luminosa).

Il risultato? A parità di dose UV erogata, l’UV-LED U254 è risultato significativamente più efficace nell’inattivare sia E. coli che S. aureus rispetto alla lampada a mercurio! Abbiamo anche verificato se la differenza potesse dipendere dal fatto che i LED emettono luce continua mentre le lampade a mercurio hanno un’emissione pulsata: abbiamo simulato l’emissione pulsata con il LED, ma l’efficacia non è cambiata. La maggiore efficacia del LED sembra quindi legata proprio alle caratteristiche spettrali dell’emissione (anche se il picco è simile, il LED ha una banda di emissione leggermente più larga). Anche in questo caso, la maggiore inattivazione da parte del LED corrispondeva a una maggiore produzione di CPD.

Non Solo Inattivazione: Effetti sulla Crescita

Infine, abbiamo osservato cosa succede ai batteri che *sopravvivono* all’irradiazione UV. Abbiamo monitorato la loro crescita successiva. In molti casi (E. coli, C. jejuni, E. faecalis), anche se i batteri non erano stati uccisi, l’irradiazione UV (a varie lunghezze d’onda UVC e UVB) causava un ritardo nell’inizio della loro fase di crescita esponenziale. È come se avessero bisogno di più tempo per “riparare i danni” prima di ricominciare a moltiplicarsi attivamente. Questo effetto variava a seconda del batterio e della lunghezza d’onda usata, suggerendo che anche i meccanismi di risposta al danno e di riparazione sono influenzati dalla “qualità” della luce UV.

Cosa Portiamo a Casa?

Questo studio ci ha fornito una mappa dettagliata della sensibilità di diversi batteri a un ampio spettro di luce UV-LED, identificando le lunghezze d’onda più letali (263-270 nm) e confermando il ruolo cruciale del danno al DNA (CPD). Abbiamo anche dimostrato che, a parità di condizioni, gli UV-LED possono essere più performanti delle vecchie lampade a mercurio.

Queste informazioni sono preziose! Possono aiutarci a progettare dispositivi di sterilizzazione UV-LED più efficienti e mirati per specifiche applicazioni, dalla disinfezione dell’acqua e degli alimenti, alla sanificazione dell’aria e delle superfici in ospedali, laboratori, uffici e persino nelle nostre case. La strada verso ambienti più sicuri grazie alla luce UV-LED è decisamente più… illuminata! Certo, c’è ancora da studiare, magari testando più ceppi per ogni specie batterica o esplorando altre lunghezze d’onda, ma i risultati sono davvero incoraggianti.

Fonte: Springer