Cellulosa: dagli alberi ai dolcetti Understand article

Tradotto da Francesca Nuzzo. La stessa molecola che rende gli alberi possenti e che  ha dato il via anche alle prime forme di vita pluricellulari – può persino essere usata per preparare dei dolcetti.

Qual è la più abbondante molecola sulla Terra? Forse un polimero sintetico? In effetti, è molto probabile imbattersi in questa molecola in natura – camminando in una foresta, ad esempio. Tale molecola è, in effetti, la cellulosa – sostanza prodotta dalle piante per il supporto strutturale.

Le piante terrestri producono almeno 100 bilioni (1011) di tonnellate di cellulosa all’anno – quantità centinaia di volte maggiore alla quantità di plastica prodotta nello stesso tempo. Essendo così ampiamente abbondante, la cellulosa prodotta dalle piante è estremamente utile. Magari starete leggendo questo articolo stampato su un pezzo di carta a base di cellulosa, ad esempio, o ancora indossando magliette e jeans in cotone,  altro esempio di cellulosa. I nostri mobili sono per la maggior parte in legno, anch’esso di cellulosa; alcuni di noi vivono persino in case di legno. Molta gente usa il legno anche come fonte di calore per la casa, forse, per via del fascino senza tempo del fuoco. E come biocarburante, il legno è una delle principali fonti energetiche.

Il legno è fatto principalmente di cellulosa, la molecola più abbondante al mondo.
Joseph / Flickr

Cosa è la cellulosa?

Nonostante le sue enormi dimesioni, la cellulosa è una molecola sorprendentemente semplice: è formata da molecole di glucosio.

A volte diverse migliaia di molecole di glucosio formano una sola macromolecola (molecola gigante) di cellulosa. Il glucosio, a sua volta, è prodotto dalle piante a partire da anidride carbonica e luce solare, mediante fotosintesi.

Una macromolecola di cellulosa consiste in un insieme di singole catene di glucano. Ogni catena di glucano è costituita da molecole di cellobioso, a sua volta formate da due molecole di glucosio (figure 1). Le catene lineari di glucano si legano le une alle altre attraverso dei legami idrogeno, ed è il notevole numero di queste interazioni deboli a conferire alla cellulosa delle caratteristiche peculiari. Ad esempio, queste aiutano la cellulosa ad eliminare acqua, consentendole di mantenere la sue proprietà strutturali anche in condizioni di umidità. Inoltre, rendono la molecola resistente agli attacchi chimici di acidi e alcali. (Ross et al., 1991).

Figura 1: Struttura chimica della cellulosa, formata da molecole di glucosio. 1: molecola di glucosio, 2: cellobioso (due molecole di glucosio unite dall’ossigeno, in rosso); 3: catene di glucano;4: porzione di una macromolecola di cellulosa con legami idrogeno (in blue) leganti le catene di glucano. (Adattato da worthington-biochem.com, megazyme.com)

Cellulosa: non solo un cosa da piante

Le sue utili caratteristiche fanno si che la cellulosa si trovi, non solo nelle piante ma, anche altrove in natura. Alcuni funghi hanno una parete cellulare in cellulosa (tuttavia in molti funghi, questa parete è costituita da chitina, altra macromolecola molto diffusa). Le alghe, alcune amebe e addirittura alcuni animali invertebrati (soprattutto gli invertebrate marini, noti come tunicati) producono cellulosa. Negli urocordati, ad esempio, la cellulosa aiuta la metamorfosi delle larve in adulti ed è anche parte della “tunica”, un tipo di esoscheletro. I funghi mucillaginosi, forme di vita unicellulari, si organizzano a diventare forme multicellulari quando i nutrienti scarseggiano, con la cellulosa presente nel gambo e nelle spore.

Forse, alcuni batteri possono produrre cellulosa. (Ross et al., 1991; Zogaj et al., 2001). Il sequenziamento del genoma, ha rivelato che questa abilità è presente in una vasta gamma di specie batteriche, dai batteri termofili ancestrali a quelli che vivono associati a piante o che colonizzano il nostro tratto intestinale (Römling & Galperin, 2015).). Quest’ultimo gruppo include due noti batteri gastrointestanili, E. coli e salmonella (Escherichia coli, Salmonella typhimurium).

Il tunicato Ciona intestinalis, che ha un esoscheletro in cellulosa.
Stefan Siebert Photography
 

Perchè i batteri hanno bisogno di produrre cellulosa? Questa molecola, così strettamente associata alle rigide proprietà strutturali delle piante, aiuta i batteri ad adattarsi a diversi tipi di ambienti specializzati. La cellulosa aiuta i batteri che vivono in associazione con piante ad attaccarsi alla loro superficie – e in caso di batteri patogeni a legarsi alla cellula ospite e causare patologie. Alcuni batteri che vivono nelle saline (inclusi specie termofile e cianobatteri) producono cellulosa che pare proteggere le cellule batteriche da essicamento ed altre minacce ambientali quali luce ultravioletta e disinfettanti.

I cianobatteri, in effetti, potrebbero aver dato origine all’abilità delle piante di produrre cellulosa. Durante l’evoluzione, questi batteri sono stati inglobati nelle cellule vegetali sottoforma di cloroplasti, portando con sè l’informazione genetica necessaria a produrre cellulosa; tali geni sono stati trovati nel genoma delle piante (Nobles et al., 2001). Ma come ciò è stato possibile? La teoria endosimbiontica suggerisce che, circa un bilione di anni fa, cianobatteri fotosintetici sono stati catturati dall’antenato delle attuali alghe, fornendo un grande vantaggio al nuovo organismo, che si è poi evoluto e diversificato a formare le diverse specie fotosintetiche di piante e alghe. Tale teoria è supportata dal fatto che, sebbene gli attuali cloroplasti abbiano perso la maggior parte dei loro geni iniziali, il gene antenato per la cellulosa sintasi (enzima necessario a produrre cellulosa) è stato trasferito al genoma della piante e, ancora ora, mostra delle notevoli somiglianze con la sua controparte nei moderni cianobatteri.

Il patogeno gastrointestinale Salmonella typhimurium produce dei biofilm di cellulosa come matrice extracellulare.
U Römling

Biofilm: creare delle connessionis

Uno dei motivi principali per cui i batteri producono cellulosa è formare il ‘biofilm’ – una pellicola di cellulosa che forma una matrice all’esterno delle cellule batteriche ed aiuta a mantenere assieme le comunità multicellulari. Queste colonie batteriche sono state le primissime forme di vita multicellulare sulla Terra, circa 3.1 bilioni di anni fa. Oggi, ci sono tanti microrganismi che hanno un stile di vita multicellulare simile, che assomiglia alla formazioni dei tessuti negli organismi superiori e si pensa migliori l’uso dei nutrienti.

I film di cellulosa possono aiutare i batteri ad interagire con gli organismi superiori come funghi, piante ed animali. Quando batteri altamenti patogeni infettano l’oganismo, i biofilm forniscono ai batteri un meccanismo di controllo della virulenza (gravità) dell’infezione. Nelle infezioni croniche invece, quando i batteri deregolano la loro matrice di biofilm, si ha una riduzione della virulenza, permettendo all’ospite e ai batteri di coesistere (Pontes et al., 2015; Ahmad et al., 2016).

La cellulosa batterica : un super-materiale del futuro?

Il té kombucha fermentato,
molto diffuso, è prodotto a
partire da un pellet di
cellulosa batterica.

Römling & Galperin (2015)

La cellulosa batterica ha alcune caratteristiche davvero speciali che la rendono diversa da quella delle piante, e siamo solo all’inizio. Se ne citano alcune: particolarmente pura, ha una più ampia area e maggiore capacità di ritenere l’acqua; è un nanomateriale naturale. La cellulosa batterica ha un considerevole potenziale economico, ed alcuni prodotti di cellulosa batterica sono già in commercio. Ad esempio:

  • Il ‘Nata de coco’ è un alimento popolare a basso contenuto calorico, proveniente dalle Filippine. È completamente fatto di cellulosa batterica prodotta mediante fermentazione del latte di cocco.
  • Il té Kombucha è una bevanda asiatica fermentata, prodotta da un pellet di cellulosa batterica con una coltura simbiotica di batteri e lieviti. Pubblicizzato come bevanda salutare, sta spopolando in tutto il mondo.
  • In medicina, la cellulosa batterica è usata come garza, in particolare per ferite croniche, perchè più forte e può trattenere l’acqua. Inoltre, essendo anche biodegradabile e biocompatibile, la cellulosa batterica ha molti potenziali usi medici: come veicolo di farmaci, per esempio, o nella ricostruzione di un tessuto danneggiato, dove essa può fungere da “scaffold” non immunogeno e biodegradabile su cui possono aderire le cellule.

Questo antico materiale naturale potrebbe facilmente diventare un super materiale del futuro – rivelando un altro modo con cui i batteri possono aiutarci, piuttosto che danneggiarci.

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References

Resources

  • Per scoprire di più sull’amido, un’altra molecola formata a partire da molecole di glucosio, consultare:

Author(s)

Dr Ute Römling è professore di fisiologia e microbiologia medica al Karolinska Institute di Stoccolma, in Svezia. Ha studiato biochimica presso l’Università di Hannover, in Germania, ma si considera un autodidatta in microbiologia.  Durante la sua carriera professionale, è stata impegnata nell’ambito delle Scienze dell’Educazione.


Review

Questo articolo potrebbe essere un’ eccellente lettura propedeutica, e potrebbe essere associata ad una lezione sulla struttura e funzione delle biomolecole. Il fatto che la cellulosa è prodotta non solo nella parete cellulare delle piante, ma anche in alcuni batteri, potrebbe essere uno spunto per discutere o lavorare su biofilm, e sulla natura della virulenza batterica. Agli studenti si potrebbe assegnare una ricerca sugli usi della cellulosa batterica, e.g. in medicina e nel cibo, presentare i dati al resto della classe, o come compito a casa. Inoltre, si porebbero preparare alcune domande di comprensione come:

  • Perchè la cellulosa è importante nei tunicati?
  • Qual è il ruolo della cellulosa nei batteri che vivono nelle saline?
  • Descrivere e spiegare il ruolo del biofilm
  • Cosa significa il termine “virulenza”?

Dr Shelley Goodman, docente di scienze applicata, nel Regno Unito




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