Un batterio ci salverà dall’inquinamento

287

È capace di crescere in concentrazioni millimolari di metalli pesanti tossici. In particolare la Ralstonia De Tusculanense è resistente alla presenza di Zn, Cd, Co, Pb, Cu, Hg, Ni e Cr e Uranio. Batteri del genere Ralstonia possono essere utilizzati come biosensori per applicazioni tecnologiche di interesse per la difesa e la «security/safety». L’obiettivo primario è la generazione di batteri capaci di rivelare la presenza di metalli pesanti in varie matrici ambientali, quali strati di aria, strati di suolo e bacini acquiferi inquinati. Tale rilevazione può essere molto utile alla valutazione del rischio di trasferimento dei metalli pesanti alla catena alimentare oltre a consentire in alcuni casi il vero e proprio sequestro o l’inattivazione degli elementi inquinanti

Lo scopo di questa ricerca è di costruire una base teorica, una pianificazione, lo sviluppo e la produzione di un particolare biosensore basato sulle proprietà del nuovo batterio «Ralstonia De Tusculanense». In secondo luogo, la ricerca si pone come fine l’assemblaggio del biosensore con ingegneria genetica e/o autoinduzione genetica informatica (per scambio autonomo DNA-Plasmidi) per applicazioni alla rilevazione di metalli pesanti (Zn, Cd, Co, Pb, Cu, Hg, Ni, Cr e U).

Scopo

Lo scopo della presente ricerca è di sviluppare, anche in base a esperienze passate, gli aspetti teorici ed il piano di sviluppo, produzione ed implementazione di un particolare biosensore denominato Ralstonia De Tusculanense capace di rilevare, bio-accumulare e catabolizzare, per mezzo di meccanismi di fluorescenza, i metalli pesanti (anche di bassa radioattività) dispersi in aria in conseguenza di atti di terrorismo e/o altri eventi rischiosi quale di effetti di risulta da scorie di Ponds Nucleari. Tale ricerca viene proposta nell’ambito delle necessità di soddisfare i requisiti specifici per i programmi di «Prevenzione, preparazione e gestione conseguente di rischi da terrorismo e altri problemi correlati alla sicurezza in termini di “security and safety”».
La proposta viene focalizzata allo sviluppo degli aspetti teorici dello sviluppo del biosensore RDT, basate sulla parziale esperienza passata, per applicazioni al rilevamento di metalli pesanti, con un meccanismo di fluorescenza inserito nel batterio, dispersi sul suolo dopo decantazione dall’aria, a seguito di atti di terrorismo e altri tipi di attività rischiose.
Il completamento sperimentale della ricerca implica tempi, metodi e costi molto più elevati che andrebbero rivisitati in altro successivo tipo di programma.
Alcuni anni fa, presso i laboratori Nazionali Infn di Frascati, durante esperimenti di fusione nucleare fredda (Fnf), abbiamo scoperto la presenza di nuovi batteri (notizia riportata anche dalla stampa nazionale). In particolare, è stata identificata la «Ralstonia De Tusculanense» dove «Ralstonia» indica il batterio, «De» l’acqua «deuterata» da cui è stata isolata e «Tusculanense» il luogo della scoperta in zona «Tusculum» nei Castelli Romani.

La Ralstonia è un batterio gram negativo, nonsporigeno, litoautotrofo, la cui temperatura ottimale di crescita è 30°C. La Ralstonia De Tusculanense è capace di crescere in concentrazioni millimolari di metalli pesanti tossici. In particolare la Ralstonia De Tusculanense è resistente alla presenza di Zn, Cd, Co, Pb, Cu, Hg, Ni e Cr. Questa resistenza multipla ai metalli pesanti è codificata da geni presenti in megaplasmidi.
Batteri del genere Ralstonia grazie alla loro caratteristica di resistenza multipla a metalli pesanti (tra i quali uranio) possono essere utilizzati come biosensori per applicazioni tecnologiche di interesse per la difesa e la «security/safety».
L’obiettivo primario della ricerca proposta è la generazione mediante ingegneria genetica di batteri del genere Ralstonia capaci di rivelare la presenza di metalli pesanti in varie matrici ambientali, quali strati di aria (in modo indiretto), strati di suolo e bacini acquiferi inquinati. Tale rilevazione può essere molto utile alla valutazione del rischio di trasferimento dei metalli pesanti alla catena alimentare oltre a consentire in alcuni casi il vero e proprio sequestro o l’inattivazione degli elementi inquinanti.

In particolare, la ricerca proposta si articola in quattro distinte ed interconnesse linee di attività:

1. Isolamento da acqua deuterata di nuove specie di Ralstonia dotate di elevata ed ampia resistenza ai metalli pesanti, con particolare riguardo all’uranio.
2. Clonaggio del promotore dei geni che conferiscono alla Ralstonia De Tusculanense resistenza ai metalli pesanti; fusione del promotore ai geni che codificano proteine intrinsecamente fluorescenti dotate di particolari proprietà spettroscopiche; ingegnerizzazione dei geni ibridi in un vettore di espressione e inserimenti del vettore ricombinante in batteri del genere Ralstonia.
3. Prove in ambiente confinato della capacità dei batteri ingegnerizzati di produrre proteine fluorescenti in presenza di metalli pesanti e messa a punto (modello A, B e C) di uno strumento di rilevazione (ad es. a fibre ottiche, array ecc.).
4. Sviluppo di un prototipo di rivelazione ottica della proteina la cui sintesi è stata indotta dalla presenza di metalli pesanti.

I risultati della ricerca dovrebbero consentire la realizzazione di un biodispositivo a rivelazione ottica dello stato di inquinamento prodotto dalla presenza di molteplici metalli pesanti tossici e inquinanti.

Applicabilità

Questa proposta di ricerca soddisfa i requisiti risultanti dall’analisi del rischio e della conseguente mitigazione dei rischi stessi che si verificano a seguito di azioni terroristiche e/o errori o guasti prodotti in impianti energetici (reattore nucleare a scopo di generazione di energia elettrica) con rilascio di sostanze radioattive in aria [Punto b della Decisione della Commissione EPCIP N° 20077124/ED].
Questa proposta di ricerca è applicabile a vari campi di applicazione di rilevazione di molte specie di metalli pesanti dispersi in aria come, ad es. Mercurio, Cadmio, Cobalto, Nickel, Cromo, Uranio depleto, tritolo (mine antiuomo) ecc.

Documenti di riferimento

In accordo alle norme e standard di riferimento, i documenti che verranno impiegati in questa ricerca sono:
«Prevenzione, preparazione e gestione consequenziale del terrorismo e di altri rischi correlati alla sicurezza». [Riferimento a PF7-JLS Call].
Tesi di Laurea Specialistica di Laura Quartieri.

Breve descrizione dei precedenti storici della ricerca

Alcuni anni fa, durante un esperimento di fusione Nucleare Fredda (Fnf) presso i Laboratori nazionali di Frascati, Infn, la reazione si ferma inaspettatamente per ragioni apparentemente inesplicabili che nessuno sapeva interpretare. Appena dopo i ricercatori si accorsero della presenza di un forte odore, istantaneamente il dott. Piero Quercia, biologo presente all’evento, propose l’idea che fosse qualcosa di biologico a interrompere la reazione.
Così, il responsabile del gruppo di ricerca, dott. Francesco Celani, reagì iniziando una attività di ricerca biologica che condusse a richiedere l’aiuto del dott. Giacomo Dagostaro (Enea Casaccia), che aveva la strumentazione appropriata per le misure richieste. A seguito di queste misure il gruppo di ricerca isolò il nuovo batterio che agiva in modo negativo sulla reazione di fusione nucleare fredda, emanando il suddetto forte odore. Il gruppo di ricerca definì il batterio incriminato «Ralstonia De Tusculanense» dove Ralstonia determina la specie di batterio, «De» significa acqua deuterata e «Tusculanense» proviene da «Tusculum» l’antica zona dei castelli romani laddove la scoperta è stata eseguita.
Così il gene Ralstonia è batterio gram-negativo, non sporigeneo, chemiolitotrofico e estremofilo. Dopo le opportune misure eseguite dal dott. Giacomo Dagostaro basate sulle moderne tecniche biomolecolari, quali la determinazione (PCR) della sequenza nucleotidica dello RNA della subunità piccola dei ribosomi (16s RNA) ed il «fingerprinting» dell’intero genoma batterico mediante AFLP (Amplified Fragment Lenght Polymorphism) effettuate presso i Laboratori di biologia molecolare del Centro Enea Casaccia, si è dimostrato che i batteri isolati appartengono alla nuova specie suddetta. In altre parole si trovò che la Ralstonia De Tusculanense è resistente alla presenza di Zn, Cd, CO, Pb, Cu, Hg, Ni, Cr e Uranio. Ed è in grado di accrescersi in concentrazioni millimolari di metalli tossici pesanti. Specificatamente, questa resistenza ai metalli pesanti è codificata nei geni che sono presenti nei megaplasmidi. A causa delle proprietà del batterio di assorbimento di metalli pesanti (tipo uranio) viene di conseguenza l’idea di impiegarlo per rivelare la presenza degli stessi metalli pesanti. In altri termini, questo tipo di batterio può essere usato con una tecnologia molto interessante per applicazioni concernenti la difesa e la sicurezza (safety/security).

L’obiettivo prioritario di questa ricerca proposta diventa quello di generare, per mezzo di fenomeni e processi genetici auto indotti nel batterio del genere Ralstonia, la capacità di rivelare la presenza dei metalli pesanti in certi ambienti e scenari quali strati di suolo, bacini di acqua inquinati, zone aeree peculiari ecc. Di conseguenza, una semplice implicazione potrebbe essere quella di essere molto utile nella valutazione del trasferimento del rischio alla catena alimentare.
Dopo le misure preliminari sulla RDT eseguite presso Lnf/Infn si considerò necessario continuare la ricerca per meglio qualificare gli effetti e, se possibile, i processi propri dei nuovi batteri, dopo l’isolamento e l’identificazione, che consentì di impiegarlo per scopi speciali quali la digestione di metalli pesanti ed in particolare dell’uranio depleto. Questa è la parte nuova di ricerca che, in effetti, si propone e quindi diventa lo scopo primario dello studio del biosensore «Ralstonia De Tusculanense» allo scopo di focalizzare e quantificare, dal punto di vista biologico, la concertazione di aria inquinata, terreni e acque inquinate e quant’altro.

Quindi le fasi sperimentali specifiche della ricerca di ingegneria genetica proposta sono definite alla maniera seguente:

1. Isolamento e caratterizzazione della nuova specie di Ralstonia (lavoro già fatto) che presenta forte resistenza e capacità di digestione di metalli pesanti quali uranio depleto.

2. Clonaggio dei promotori dei geni che danno alla RDT la resistenza ai metalli pesanti.

3. Fusione di questi promotori ai geni che decodificano proteine con particolari proprietà spettroscopiche e prestazioni tecniche specifiche.

4. Ingegnerizzazione di questi geni ibridi sotto forma di vettori di espressioni.

5. Trasformazione del batterio naturale con i vettori ricombinanti.

6. Sviluppo di un prototipo capace di rilevare otticamente le proteine, espresse in chiaro, la cui sintesi è indotta dalla presenza di metalli pesanti.

7. Elaborazione del rapporto finale di descrizione dei processi e dei risultati ottenuti. In particolare, il rapporto finale includerà tutti gli aspetti teorici di tutti i processi previsti. Per passare dalla fase preliminare teorica a quella applicativa, bisogna seguire lo schema di finanziamento nel seguito riportato in quattro fasi.

Di conseguenza, la ricerca teorica proposta si ripromette di presentare una chiara descrizione scientifica dell’idea, dei concetti e delle realizzazioni e operativa della costruzione della RDT come biosensore e quindi di descrivere il lavoro sperimentale eseguito e i risultati ottenuti, allo stato attuale dell’arte.
Andrebbe fatto notare che la analisi preliminare dei modi e degli effetti di eventuali errori e delle conseguenze relative (Fmea/Fmeca: analisi dei modi e degli effetti dei guasti) eseguita sui risultati preliminari disponibili per prevedere eventuali linee di propagazione di guasti e errori (anche di codifica) ha permesso di costruire una visione generale panoramica del dispositivo proposto per rilevare metalli pesanti e, in modo specifico, l’uranio depleto.
L’impiego del dispositivo RDT consente di valutare ed elaborare l’analisi dei rischi e le conseguenti azioni di mitigazione da eseguire nelle aree ritenute inquinate e quindi assoggettate a controlli estensivi in modo da potere eventualmente progettare azioni e dispositivi correttivi.
L’applicazione ottimale del dispositivo RDT dovrebbe essere quello di preparare e attuare la prevenzione della sicurezza personale e delle aree in cui sono presenti specifiche infrastrutture laddove i metalli pesanti e sostanze radioattive (a bassa radioattività) sono state precedentemente disperse in aria e quindi sono decantate a terra sul suolo.
La metodologia operativa proposta è di disperdere biosensori RDT in aria e sul suolo per dare loro la opportunità di sentire, con il meccanismo di fluorescenza, l’esistenza di metalli pesanti e di materiali depleti.

Obiettivi specifici

La ricerca teorica sul biodispositivo RDT e le sue implicazioni sono tese ad isolare e sviluppare l’opportunità di applicazione a molti settori particolari definiti all’interno dello specifico programma europeo quale ad esempio, la attuazione di ricerca n. PF7-JLS Call (finanziamento europeo) di attuazione di legge europea per: «Prevenzione, preparazione e gestione consequenziale del terrorismo e di altri rischi di sicurezza correlati» che hanno specifiche implicazioni e applicazioni a:

1. Settore «Industria ed Energia Nucleare» per la rilevazione della esistenza locale di materiali pesanti depleti (uranio depleto e così via).
2. Settore «Salute» in termini di prevenzione di potenziali effetti negativi prodotti da sorgenti radioattive locali di bassa intensità provenienti da sostanze radioattive quali l’uranio depleto, il torio depleto e via di seguito. Inoltre si possono prevedere applicazioni di rilevazione di sostanze radioattive in generale. Si può anche inferire che potrebbe essere possibile implementare altre applicazioni in ambienti critici e strutture quali ospedali, laboratori di analisi, impianti industriali che impiegano sostanze radioattive e/o metalli pesanti e così via.
3. Usarli all’interno di bio-laboratori per la garanzia della sicurezza (safety e security).
4. Protezione di zone ed aree a rischio.
La eventuale rilevazione di zone inquinate dovrebbe innescare immediatamente la strategia di comunicazione automatica dello stato di emergenza per mezzo di appropriati sottosistemi di comunicazione.

Fase 1: completamento fase di ricerca teorica

La prima fase della ricerca consiste nell’analizzare tutti e sei gli aspetti della pianificazione del lavoro ossia le vere e proprie sei fasi sperimentali specifiche della ricerca di ingegneria genetica, per definire il rapporto di studio di fattibilità a livello dettagliato sotto forma di un rapporto finale che illustra i risultati ottenuti con la seguente struttura di pubblicazione:

•Sommario esecutivo che presenta brevemente lo scopo finale del lavoro e la metodologia adottata, l’analisi elaborata con i risultati e le proposte specifiche culminanti con le conclusioni della ricerca.

•Contenuto del rapporto esploso alla seguente maniera:

1. Una parte generale, analitica e proattiva in cui si sviluppa l’analisi del problema quindi si formulano le proposte secondo le soluzioni elaborate dai ricercatori.
2. Una parte specialistica che include tutte le informazioni ed il supporto necessario alla descrizione degli apparati sperimentali, del dispositivo prototipo, l’elaborazione delle procedure e dei processi di assemblaggio supportate da un serio approfondimento tecnico scientifico con tavole, grafici, diagrammi, flussi, sorgenti dei dati ecc.
3. Una parte specialistica che include tutte le informazioni e i supporti necessari quali ad esempio dati storici e riferimenti qualificati, documenti di supporto utili per la comprensione della ricerca stessa, gli scenari ambientali e la bibliografia.

 

Pianificazione temporale della prima fase

 

La pianificazione temporale del progetto di ricerca è il seguente come rappresentato nella Tabella 1.

 

Disponibilità del «Peer Research Group»

 

Su richiesta, ciascun membro del «Peer Research Group» garantisce la propria presenza e disponibilità per ogni tipo di azione e compito che deve essere condotto a termine. Inoltre, il Responsabile del Progetto e il Leader della Ricerca saranno disponibili per eseguire:

•Presentazioni pubbliche della ricerca nella revisione sia preliminare sia finale.
•Partecipazioni a eventuali seminari per riportare all’Ente finanziatore lo stato di avanzamento dei lavori correlati a questa ricerca (teorica e sperimentale).
•Produzione, su richiesta, di documenti scientifici utili per la creazione ed esecuzione di eventi (conferenze, seminari, dispute e tavole rotonde) che si potranno organizzare nell’ambito delle relative ricerche.
•Produrre il rapporto finale in lingue differenti (italiano, inglese).

Presentazione analisi dei costi per la prima fase

Il costo totale per la esecuzione delle attività di ricerca teorica è eguale a 50.000,00 Euro (Cinquantamila Euro) al netto di Iva, ed include tutte le attività necessarie allo sviluppo degli aspetti teorici che supportano il processo di ingegnerizzazione genetica per la produzione del batterio biosensore «Ralstonia De Tusculanense», nonché la pianificazione della realizzazione di un biosensore campione e sono distribuiti secondo la seguente Tabella 2.

Le fasi successive

Per realizzare il progetto, dopo la prima fase teorica, per procedere allo sviluppo e realizzazione delle sei fasi successive sperimentali al fine di realizzare il prototipo di biosensore, si possono seguire diverse fasi economiche illustrate qui di seguito:

1. Seconda Fase economica di Sviluppo: sviluppo del laboratorio biologico eventualmente integrato con il laboratorio della Casaccia Enea, oltre che acquisti di materiali, strumentazione e «facilities» varie per un valore stimato che va da 150.000,00 € a 250.000,00 €.

2. Terza Fase economica di Sviluppo: Aumento (quasi raddoppio) di personale (1 chimico esperto, 1 fisico esperto, 2 biologi, un tecnico di laboratorio di biologia, 2 biologi senior esperti, e giovani laureato con borsa di studio) per un valore stimato di 800.000,00 € all’anno di lavoro.

3. Quarta Fase economica di Sviluppo: in collegamento con gli altri progetti su energie integrative esistenti nei nostri vari laboratori (ad esempio il Progetto Scia, Depurazione dell’Aria di Roma, Progetto Fusione Fredda) che costituiranno l’ossatura del nuovo Laboratorio: Nefp (Laboratorio Nuove Frontiere dell’Energia e del Pensiero) ossia un laboratorio strettamente interdisciplinare come sono state interdisciplinare le scoperte del nostro gruppo. La stima del costo di questo laboratorio va da 20.000.000,00 € a 50.000.000,00 €.
Alla fine di queste fasi sperimentali si deve ottenere la realizzazione completa dei bioreattori (per produrre eventualmente idrogeno), dei biosensori (per metalli pesanti) e biodepurtatori (per eliminare gli inquinanti cancerogeni).

4. Quinta Fase economica di Sviluppo: questa è la fase di sviluppo futuribile con collegamenti con altri megaprogetti di Nuovi Modelli di Sviluppo di tipo: «Città di Monceria» (Centro Monitoraggio Fonti/Risorse Alternative Integrative di Energia dall’Ambiente); una città che si auto-sostiene energeticamente senza produzione di inquinanti: CO2, CO, NOX, PM10, PM2,5, PM1, diossine, e benzene. La stima del costo va da 100.000.000,00 € a 200.000.000,00 €.

Conclusioni: la pianificazione tecnologica

Dal punto di vista metodologico, la ricerca scientifica e tecnologica sperimentale proposta sulla Ralstonia De Tusculanense procederà secondo la pianificazione riportata nella seguente Tabella 3.

LogoABB