Ricercatori della Columbia University hanno sviluppato motori batterici del futuro basati sulle spore di Bacillus subtilis sfruttando l’igroscopia.

Bacillus subtilis è un batterio che vive comunemente nel suolo.
Come molti altri batteri, in condizioni di stress – per esempio la carenza di nutrienti o un habitat poco ospitale – il Bacillus subtilis è in grado di passare dalla forma vitale a una forma dormiente definita endospora.
L’endospora è una struttura cellulare ricoperta da un rivestimento, estremamente coriaceo e resistente, costituito da proteine. L’endospora conferisce al batterio la capacità di resistere a condizioni avverse per lunghi periodi di tempo e, raggiunte le condizioni adatte alla sua crescita, gli consente di tornare alla forma attiva.
La struttura della spora è quindi estremamente utile alla sopravvivenza di B. subtilis; e sarebbe più che sorpreso nel sapere che la sua spora è diventata parte di un motore!
Un gruppo di ricercatori della Columbia University ha progettato e realizzato un motore costituito da spore e, nel 2015, ha pubblicato lo studio su Nature Communications.
Il funzionamento del motore a spore è basato sull’igroscopia, ossia la capacità che hanno alcuni materiali di attrarre e intrappolare molecole d’acqua dall’aria che le circonda, generando un aumento di volume della molecola in forma idratata.
L’aumento volumetrico è di per sé limitato, ma in condizioni sperimentali è stato capace di sprigionare elevate forze, permettendo di sollevare pesi migliaia di volte maggiori rispetto a quelli della particella.
I ricercatori hanno sfruttato la capacità della spora, in quanto materiale altamente igroscopico, di assorbire acqua dall’aria e, rimuovendo lo strato proteico esterno, le hanno permesso di variare il proprio volume in base alle condizioni di umidità: in condizioni di bassa umidità la spora si contrae, mentre in ambienti ad alta umidità si espande.
Per sfruttare al meglio l’aumento e la diminuzione di volume, un sottilissimo strato di spore è stato posizionato su entrambi i lati di un nastro in maniera alternata, in modo da ottenere un allungamento quando le spore aumentano di volume, e un rilassamento quando le spore diminuiscono di volume, in un meccanismo simile a quello dei muscoli, che allungandosi e contraendosi sono in grado di svolgere un lavoro.

Il comportamento delle strisce di HYDRA poste in ambiente umido e secco (via Nature Communications).

Questo muscolo artificiale (chiamato dai ricercatori HYDRA, sigla per HYgroscopy-DRiven Artificial muscles, ossia muscoli artificiali igroscopici), capace di effettuare un milione di cicli di allungamento e accorciamento senza deterioramento, è stato utilizzato per costruire due motori che, seppur estremamente rudimentali, sono stati capaci di compiere un lavoro, alimentati unicamente dalle variazioni di umidità dell’aria intorno alle spore.
Il primo prototipo costruito svolge un lavoro di tipo oscillatorio lineare: delle strisce di HYDRA vengono posizionate in un recipiente contenente acqua e collegato a delle saracinesche.
Mediante il loro allungamento e accorciamento ciclico permettono l’apertura e la chiusura delle saracinesche, in modo tale da mantenere un certo differenziale di umidità tra ambiente esterno e interno.
Da questo movimento di allungamento e accorciamento è stato inoltre possibile ricavare abbastanza energia per alimentare un paio di LED.

Il funzionamento del primo prototipo di motore lineare alimentato da HYDRA (Via Nature Communications)

Il secondo prototipo consiste in un moto rotatorio.
Questa volta il motore è costituito da una ruota sulla cui circonferenza sono posizionate strisce di HYDRA con un peso all’estremità. Metà della ruota è contenuta in una fessura dove, tramite carta imbevuta d’acqua, viene mantenuto un microambiente a elevata umidità, mentre l’altra metà, posta all’esterno, è in contatto con l’ambiente esterno, con livelli di umidità relativa più bassi.
Il passaggio tra i due ambienti genera un allungamento e un accorciamento delle strisce di HYDRA che, spostando il peso ancorato all’altra estremità permette il movimento della ruota.
Un movimento relativamente lento, ma sufficiente a muovere una minuscola macchina!

Il secondo modello di motore alimentato da HYDRA (Via Nature Communications)

La Terra, come tutti noi sappiamo, è ricoperta per tre quarti della sua superficie da acqua.
Ma la Terra è anche un pianeta sempre più affamato di energia, e non sempre, purtroppo, la si può ottenere in maniera rispettosa dell’ambiente.
Tecnologie come queste, inimmaginabili fino a pochi anni fa, in futuro potrebbero permetterci di riutilizzare, anche in minima parte, l’energia che mari, laghi, bacini artificiali e corsi d’acqua forniscono in maniera continua e naturale.
Questa energia, potenzialmente enorme e stimata in 325 GW per i soli Stati Uniti d’America, equivalente a quella prodotta da più di 3000 centrali nucleari di medie dimensioni, se sfruttata adeguatamente potrebbe risultare essenziale nel di ridurre il nostro impatto ambientale e allo stesso tempo ottenere una nuova fonte di energia pulita, sicura e affidabile.

Per saperne di più:

https://www.nature.com/articles/ncomms8346
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00581-w
http://2015.igem.org/Team:Stanford-Brown/BioHYDRA
https://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis
https://en.wikipedia.org/wiki/Endospore
https://en.wikipedia.org/wiki/Sporulation_in_Bacillus_subtilis

Immagine di copertina: Bacteria via pixabay