Shewanella oneidensis: il super batterio contro i metalli pesanti

Le conseguenze dell’antropizzazione

L’eccessivo impatto antropico sull’ambiente e sulla biodiversità che lo caratterizza, insieme a tutte le forme viventi che ne fanno parte, avviene, oltre che con la deforestazione e le attività inarrestabili minerarie e di escavazione, anche con l’immissione di metalli pesanti quali arsenico, mercurio, cromo, cadmio e piombo.

Tali metalli sono sostanze estremamente tossiche per l’uomo, gli animali e per l’ambiente stesso derivanti da attività industriali (come le industrie microelettroniche, fabbricazione di semiconduttori, etc.), che si concentrano principalmente nel suolo e nei sedimenti, entrando così nella catena alimentare via terra e via acqua.

Queste sostanze sono molto pericolose poiché una loro esposizione comporta lo sviluppo di sintomatologie principalmente neurologiche con disturbi comportamentali, convulsioni, deficit cognitivi, epilessia e neuropatie riscontrabili ad esempio nel grave fenomeno dell’intossicazione da piombo conosciuto come saturnismo.

Ovviamente le complicanze neurologiche non solo le sole a poter essere riscontrate nelle intossicazioni da metalli pesanti, che comportano anche disturbi renali, ipertensione ed in alcuni casi sono stati riscontrati anche tumori polmonari.

Figura 1 – Areogramma della concentrazione dei metalli pesanti presenti nella nostra alimentazione

I metalli di interesse clinico

La pericolosità di questi metalli pesanti è di estrema rilevanza nella clinica, poiché essendo ubiquitariamente presenti nel suolo e nell’aria sotto forma di particelle, riescono ad “inserirsi” nella catena alimentare innescando una possibilità di intossicazione progressiva e latente.

I metalli di interesse tossicologico, agiscono infatti su diversi organi ed apparati mediante dei meccanismi che vedono il coinvolgimento di specifiche attività biochimiche o specifiche formazioni subcellulari, poiché il piombo ed il cadmio ad esempio, hanno una forte affinità per le componenti tessutali umane. Vediamone in dettaglio le manifestazioni cliniche:

Arsenico: i composti di più rilevante interesse tossicologico sono l’arsenico triossido, il sodio arsenito, l’arsina e l’arsenico pentossido; una assunzione elevata di questo metallo comporta una intossicazione acuta caratterizzata da vomito, diarrea, dolori addominali, crampi e contrazioni muscolari; invece a seguito di una esposizione continua nel tempo, possono verificarsi sintomi a livello cutaneo con possibilità di tumori della pelle;
Cadmio: è un elemento che tende ad accumularsi nell’organismo soprattutto nel rene con sintomatologie quali proteinuria, aminoaciduria, glicosuria e diminuzione del riassorbimento tubulare di fosfati. L’intossicazione cronica si manifesta invece con una pneumopatia cronica ostruttiva accompagnata da alterazioni cardiovascolari.
Cromo: i composti trivalenti ed esavalenti sono quelli più pericolosi riguardo le intossicazioni: un caratteristico effetto dell’esposizione acuta al cromo è la necrosi dei tubuli renali. L’esposizione continua al cromo esavalente comporta invece l’insorgenza di tumori del tratto respiratorio.
Piombo: a determinate concentrazioni il piombo risulta essere molto pericoloso per gli organismi viventi: come già accennato in precedenza, una eccessiva esposizione a questo metallo comporta lo sviluppo di una sintomatologia a carico neurologico, poiché il sistema nervoso è il più “sensibile” ai suoi effetti; sono interessati però anche altri distretti quali l’apparato gastroenterico e quello riproduttivo.
Mercurio: essendo liposolubile, il mercurio diffonde molto rapidamente attraverso la membrana alveolo-capillare passando quindi nei globuli rossi e nel cervello; nell’esposizione acuta sono presenti polmoniti interstiziali e bronchiti, nelle intossicazioni croniche è presente invece il coinvolgimento del sistema nervoso centrale.

Figura 2 – Classificazione dei distretti anatomici per affinità ai metalli pesanti e conseguente sintomatologia

Lo studio: Shewanella oneidensis in nostro aiuto!

Data la gravità dell’azione antropica che ha aumentato e continua ad aumentare la diffusione dei metalli pesanti, la decontaminazione da questi ultimi nel suolo e nei sedimenti, è diventata una vera e propria sfida. Uno studio iniziato nel 2009 dal team di ricercatori della Ohio State University capitanato dal Professor Brian Lower, ha studiato come il proteobatterio Shewanella oneidensis MR – 1 sia in grado di ridurre gli ioni metallici e di vivere in ambienti del tutto anaerobi.

I Proteobacteria sono batteri gram-negativi la cui membrana esterna è composta principalmente da lipopolisaccaridi: molti sono facoltativamente o obbligatoriamente anaerobi. Shewanella oneidensis riesce a vivere sia in aerobiosi che in anaerobiosi.

Questo proteobatterio è stato isolato per la prima volta nel 1988 dal Lago Oneida: è stato al centro di molti studi per le sue particolari caratteristiche di respirazione. Infatti, per soddisfare i suoi bisogni energetici, avendo la capacità di ridurre metalli come mercurio, cromo e piombo, Shewanella riesce a “saziarsi” completamente utilizzando questa via metabolica: è naturalmente presente nel suolo ed è stato studiato, mediante particolari tecniche microscopiche, come riesca ad inalare metalli tossici espirandoli nella forma non tossica.

Avendo questa peculiarità, riesce a ridurre i metalli pesanti in una forma non tossica, depurando quindi il suolo e tutti i siti contaminati dalla loro tossicità.

Lo studio, pubblicato per la prima volta sulla rivista Applied and Environmental Microbiology, afferma che Shewanella riesce a “spostare” le proteine presenti all’interno della cellula batterica nella sua membrana esterna per legarsi direttamente al metallo. Le proteine si legano quindi con gli ossidi metallici, che i batteri utilizzano per ottenere energia.

Figura 3 – Shewanella oneidensis

Conclusioni

Questo fenomeno ha aperto una possibilità del tutto naturale di decontaminare i sedimenti: Shewanella riuscendo inoltre a convertire tali metalli in forma non solubile, impedisce la contaminazione che deriverebbe dal loro scioglimento nelle falde acquifere.

A tutt’oggi si sta ancora cercando di potenziare le caratteristiche già del tutto strabilianti di questo proteobatterio, con il fine ultimo di eliminare totalmente la deposizione nel suolo e di conseguenza la diffusione dei metalli pesanti nella nostra catena alimentare.

Tale studio ha confermato quanto sia affascinante nonché utile la microbiologia, e quanto, a volte, potrebbe esserci di aiuto.

Priscilla Caputi