Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

Negli angoli silenziosi di laghi e fiumi d'acqua dolce, piante microscopiche chiamate cianobatteri sono costantemente al lavoro. Questi organismi unicellulari sono i motori del mondo acquatico, catturando la luce solare per creare energia e rilasciando ossigeno, proprio come gli alberi sulla terraferma. Tuttavia, alcuni di questi minuscoli organismi possono diventare pericolosi. Quando le condizioni sono favorevoli, possono moltiplicarsi rapidamente, formando spessi strati verdi noti come fioriture algali nocive. Queste fioriture possono soffocare altra vita nell'acqua e rilasciare veleni che minacciano le riserve di acqua potabile, gli animali domestici e le persone. Per capire come queste fioriture abbiano inizio, come producano tossine e come fermarle, gli scienziati devono essere in grado di coltivare questi organismi in laboratorio. Hanno bisogno di un ambiente controllato dove possano osservare le cellule dividersi e studiarne il comportamento senza il caos di un lago naturale.

Per decenni, la ricetta standard per nutrire questi cianobatteri d'acqua dolce in laboratorio è stata una miscela chiamata BG11. È una formula ben nota, affidata dai ricercatori ovunque, che contiene acqua, sali e nutrienti essenziali come ferro, azoto e fosforo. L'idea è semplice: fornire il cibo di cui le cellule hanno bisogno, e loro cresceranno. Ma per un gruppo specifico di cianobatteri tossici, questa ricetta standard è fallita completamente. Quando gli scienziati hanno cercato di coltivare tre particolari specie — Planktothrix agardhii, Shackletoniella antarctica e Pseudanabaena catenata — in questa miscela standard, le cellule non sono solo cresciute lentamente; hanno smesso del tutto di crescere. Sono diventate pallide, il loro meccanismo interno si è guastato e le colture sono morte. Questo fallimento ha creato un importante ostacolo. Senza un modo per coltivare queste specifiche ceppi tossici in laboratorio, i ricercatori non potevano studiare cosa innesca il rilascio dei loro veleni o come prevedere quando una fioritura potrebbe avvenire in natura.

Un team di ricercatori della Politecnica Peter the Great di San Pietroburgo ha deciso di indagare sul perché questo cibo standard stesse fallendo e di costruirne uno migliore. Hanno scoperto che il problema non era la mancanza di cibo, ma piuttosto il modo in cui quel cibo veniva somministrato. Nella miscela standard, certi ingredienti reagivano tra loro formando grumi solidi che i batteri non potevano mangiare, mentre altri ingredienti creavano un ambiente chimico che era in realtà tossico per le cellule. Per risolvere il problema, gli scienziati hanno sviluppato una nuova ricetta modificata che hanno chiamato Polytech-CyanoSPO. Questa nuova miscela non ha inventato nuovi nutrienti; invece, ha sostituito quattro ingredienti specifici con forme diverse degli stessi nutrienti che i batteri possono effettivamente utilizzare.

La prima modifica riguardava il ferro, un minerale vitale necessario affinché i batteri possano compiere la fotosintesi. Nella vecchia ricetta, il ferro era mescolato con un composto che si degradava rapidamente alla luce, causando la trasformazione del ferro in un fango solido simile alla ruggine che si depositava sul fondo del contenitore. I batteri non potevano raggiungerlo. La nuova ricetta ha sostituito questo con un diverso sale di ferro accoppiato con una speciale molecola che agisce come una gabbia protettiva, mantenendo il ferro in uno stato liquido e disciolto in modo che le cellule possano prenderlo facilmente. La seconda modifica riguardava la fonte di azoto. La vecchia ricetta utilizzava una forma di azoto che portava con sé il sodio, un sale che può stressare le cellule e interrompere il loro equilibrio interno. La nuova ricetta ha scambiato questo con una forma di azoto accoppiata al potassio, un minerale di cui i batteri hanno bisogno per funzionare, trasformando efficacemente il cibo in una fonte sia di energia che di minerali essenziali senza stress.

Il terzo adeguamento ha affrontato il fosforo, un altro nutriente chiave. Nella miscela standard, il modo in cui il fosforo era sciolto lo rendeva propenso ad attaccarsi al calcio e al magnesio, formando solidi invisibili che i batteri non potevano assorbire. La nuova ricetta ha utilizzato una forma diversa di fosforo che manteneva l'acqua leggermente acida, impedendo la formazione di questi solidi e mantenendo il fosforo disponibile per il consumo delle cellule. Infine, il team ha cambiato la fonte di un metallo in traccia chiamato cobalto, rimuovendo una forma chimica che poteva essere dannosa e sostituendola con una versione più sicura e stabile. Queste quattro modifiche erano piccole in numero ma massicce nel loro effetto.

Quando i ricercatori hanno testato la loro nuova miscela contro quella vecchia, i risultati sono stati drammatici. Nella miscela standard BG11, le tre specie tossiche sopravvivevano a malapena. Il loro numero non aumentava, il loro colore verde sbiadiva e non producevano quasi ossigeno, un segno che i loro motori energetici si erano arrestati. Al contrario, le colture cresciute nella nuova miscela Polytech-CyanoSPO esplodevano di vita. In un periodo di quattordici giorni, il numero di cellule nella nuova miscela è cresciuto di dieci o trenta volte rispetto alla vecchia. L'acqua nelle nuove colture era così ricca di ossigeno da contenerne più di quanto l'aria sopra di essa possa normalmente dissolverne, un chiaro segno che i batteri stavano fotosintetizzando alla massima velocità.

Gli scienziati hanno anche misurato cosa rimaneva nell'acqua dopo l'esperimento. Nelle colture che erano fallite, l'acqua era ancora piena di azoto e fosforo inutilizzati, dimostrando che i batteri erano troppo malati per mangiarli. Nelle colture di successo, l'acqua era quasi priva di questi nutrienti, mostrando che i batteri sani avevano consumato quasi tutto ciò che era disponibile. La nuova miscela ha anche mantenuto l'acqua a un livello di pH stabile e neutro, mentre la vecchia miscela diventava troppo alcalina, il che avvelenava ulteriormente le cellule. Risolvendo questi enigmi chimici, i ricercatori hanno fornito un modo affidabile per coltivare questi ceppi difficili e tossici. Questo progresso significa che gli scienziati possono ora studiare questi organismi in laboratorio con fiducia, aprendo la porta alla comprensione di come producono le loro tossine e di come proteggere le riserve d'acqua dai pericoli delle fioriture algali nocive.