La luce solare consente alle alghe verdi di fare molto di più che svolgere semplicemente la fotosintesi. Alcune alghe unicellulari usano effettivamente la luce per attivare e disattivare l'adesione dei loro flagelli alle superfici, un fenomeno scoperto per la prima volta dai fisici dell'Istituto Max Planck di Göttingen per la dinamica e l'auto-organizzazione. Questi risultati sono particolarmente rilevanti per lo sviluppo di bioreattori in cui le alghe fungono da materia prima rinnovabile per la produzione di biocarburanti.

Nella vita di tutti i giorni, le alghe verdi tendono ad essere cattive notizie. Con tempo umido, microscopiche alghe unicellulari formano uno strato viscido sui mobili da giardino e sui muri delle case; durante le calde estati, formano una schiuma sulla superficie dei laghetti da giardino e delle vasche di trattamento delle acque. Ma anche le alghe verdi possono essere utili. Da anni ormai le alghe vengono coltivate nei bioreattori, in grandi strutture costituite da tubi di vetro, per produrre biocarburanti. Però, le alghe verdi hanno una proprietà che rende difficile questo processo:usare piccoli peli, noto come flagelli, aderiscono alle superfici. Nei bioreattori, ciò si traduce in un biofilm verde che si forma sulle pareti dei tubi di vetro. Di conseguenza, meno luce penetra nel reattore. Il biofilm riduce la capacità di altre alghe nel reattore di svolgere la fotosintesi, rendendo così il bioreattore meno efficiente.

Chlamydomonas non si attacca alla luce rossa

Un gruppo di ricerca guidato da Oliver Bäumchen, un fisico al Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen, ha ora fatto una scoperta che potrebbe aumentare l'efficienza dei bioreattori. "Negli esperimenti con le alghe verdi, abbiamo scoperto che le alghe sono appiccicose e in grado di aderire alle superfici solo in determinate condizioni di luce, " dice Oliver Bäumchen.

Lo scienziato si è concentrato per molti anni sulle proprietà adesive dei microrganismi. È principalmente interessato ai flagelli e ai meccanismi con cui queste minuscole strutture simili a capelli possono esercitare forze adesive sorprendentemente forti. Lui e il suo staff hanno ideato un sensore preciso per misurare le forze coinvolte:una micropipetta di vetro ultrasottile che può aspirare una singola cellula di alghe verdi. Utilizzando la micropipetta, misurano la forza necessaria per staccare una cellula vivente da una superficie.

Chlamydomonas utilizza varie proteine ​​per percepire la luce

studente di dottorato di Bäumchen, Christian Kreis, hanno scoperto che l'adesione delle alghe alle superfici può essere controllata dalla luce. Sperimentando con l'alga verde Chlamydomonas, scoprì che mostrava costantemente una forte forza adesiva solo sotto luce bianca. Sotto la luce rossa, le cellule non aderivano affatto alle superfici. È noto da tempo che molti microrganismi si orientano alla luce e, Per esempio, nuota verso una fonte di luce. Però, non era noto in precedenza che il meccanismo di adesione dell'alga verde potesse essere acceso e spento con la luce.

Kreis ha studiato più da vicino la risposta alla luce e ha scoperto che Chlamydomonas si attacca esclusivamente alle superfici quando è esposto alla luce blu. L'alga utilizza una serie di speciali proteine ​​sensibili alla luce per percepire la luce. "Crediamo che l'adesività commutabile con la luce possa essere un prodotto dell'evoluzione, " dice Christian Kreis. A differenza del fitoplancton marino, questi microrganismi correlati di solito vivono in terreni umidi dove spesso incontrano superfici. "Se quelle superfici sono esposte alla luce del sole, questo ingegnoso meccanismo consente alle alghe di attaccarsi ad essi e iniziare a svolgere la fotosintesi, " spiega il ricercatore.

Le alghe con fotorecettori della luce blu modificati potrebbero non formare biofilm

Questa scoperta non fornisce di per sé un modo per prevenire la formazione di depositi algali sulle pareti di vetro dei bioreattori. Esporre i bioreattori alla luce rossa solo per spegnere l'adesione non funziona, perché le alghe verdi richiedono anche la luce blu per la fotosintesi. Oliver Bäumchen e Christian Kreis stanno quindi adottando un approccio diverso. "Ora abbiamo collaborato con microbiologi che hanno una grande esperienza con le alghe verdi, Bäumchen dice. "Abbiamo in programma di studiare le cellule in cui i vari fotorecettori della luce blu sono bloccati per scoprire quale di quei fotorecettori è effettivamente responsabile dell'attivazione delle proprietà adesive". Se le alghe con fotorecettori della luce blu modificati potessero essere coltivate in grandi volumi, potremmo essere in grado di usarli nei bioreattori senza il fastidio dei biofilm che si formano sulle superfici.

Il team di ricerca di Oliver Bäumchen si è concentrato sull'adesione commutabile delle alghe verdi per diversi motivi:"È generalmente interessante comprendere il fenomeno dell'adesione superficiale. Dopo tutto, le forze di adesione sono enormi in relazione alle dimensioni delle cellule, " dice Bäumchen. Sta studiando anche i flagelli perché il loro principio di costruzione è quasi identico a quello delle ciglia nel corpo umano, per esempio nei polmoni.

Christian Kreis si occupa anche di modi per prevenire la formazione di biofilm algali. Attualmente sta studiando se l'adesione può essere attivata e disattivata da trigger diversi dalla luce, per esempio da superfici che trasportano deboli cariche elettriche. "I biofilm sono problematici in molte applicazioni, " dice il ricercatore. "Se potessimo progettare le superfici in modo tale che impediscano ai microrganismi di attaccarsi ad esse, sarebbe un vantaggio per molte applicazioni in medicina, biotecnologie e ingegneria chimica".