Monitor composto da milioni di batteri bioluminescenti

LCD tradizionali, schermi a led o monitor trimensionali sono giocattoli per bambini se messi a confronto con la recente creazione di un team di ricercatori della UC San Diego: un display composto da milioni di batteri che si illuminano in modo sincronizzato.
Ogni pixel del monitor è composto da una colonia batterica di migliaia di singoli microrganismi, modificati genericamente per utilizzare una particolare proteina che mette in relazione la loro bioluminescenza con il loro orologio biologico.
Ogni batterio è un sensore in grado di rilevare minuscole quantità di arsenico. In base alla concentrazione di questo elemento all'interno della soluzione in cui si trovano immersi i batteri, questi microrganismi modificano il ritmo della loro bioluminescenza.

Questa nuova tecnologia potrebbe non soltanto fornire nuove strade per la realizzazione di futuri display organici, ma le sue applicazioni potrebbero essere immediate, ad esempio nella creazione di sensori economici in grado di rilevare e quantificare la presenza di sostanze nocive tramite la loro luminosità.
"Questo tipo di sensori viventi sono intriganti, dato che possono essere utilizzati per monitorare costantemente un campione lungo un prolungato periodo di tempo, mentre la maggior parte dei kit di rilevamento sono monouso" spiega Jeff Hasty, a capo del team che ha realizzato il nuovo display organico. "Dato che i batteri rispondono in modo differente alle diverse concentrazioni di arsenico variando la frequenza della loro bioluminescenza, possono fornire un aggiornamento costante su quanto sia pericolosa una tossina o un agente patogeno".

Per la realizzazione di questo chip innovativo, i ricercatori hanno dovuto ideare una tecnica per sincronizzare l'orologio biologico di batteri bioluminescenti. Il passo successivo è stato quello di sincronizzare gli orologi biologici dei microrganismi di un'intera colonia, facendoli brillare all'unisono.
"Molte specie di batteri sono note per comunicare con un meccanismo noto come 'quorum sensing', che è essenzialmente l'atto di rilasciare piccole molecole per innescare e coordinare diversi comportamenti. Altri batteri sono invece noti per disturbare questo meccanismo di comunicazione degradando queste molecole".
Il problema è che questo metodo non può essere sfruttato per coordinare batteri provenienti da centinaia o migliaia di colonie differenti. "Se c'è un gruppo di cellule che oscilla, il tempo di propagazione del segnale è troppo lungo per sincronizzare istantaneamente 60 milioni di altre cellule tramite il quorum sensing" dice Hasty.
Per risolvere il problema, i ricercatori hanno scoperto che ogni colonia di batteri può emettere dei gas che, se opportunamente direzionati verso le altre migliaia di colonie, possono sincronizzare quasi contemporaneamente milioni di altri microrganismi. "Le colonie vengono sincronizzate attraverso segnali gassosi, ma le cellule di una colonia si sincronizzano tramite quorum sensing. L'accoppiata è sinergica nel senso che la comunicazione tramite quorum sensing è necessaria per generare un segnale abbastanza potente da guidare lo scambio di gas".
Il più grosso "chip microfluidico" realizzato dalla UC San Diego è grande quanto il vetrino di un microscopio, e contiene 50-60 milioni di batteri raggruppati in migliaia di colonie (biopixel) per un totale di circa 13.000 biopixel.Secondo Hasty, entro cinque anni saranno disponibili i primi display a batteri in grado di determinare la presenza e la quantità di sostanze potenzialmente pericolose rilasciate nell'ambiente.
Biopixels: Researchers create living 'neon signs' composed of millions of glowing bacteria (w/ video)