Ricercatori dell'Università di Bayreuth e del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen hanno studiato i modelli di movimento di alghe verdi unicellulari produttrici di idrogeno in diverse condizioni di intensità luminosa. I risultati contribuiranno a migliorare l'utilizzo di questi microrganismi in applicazioni biotecnologiche, come la produzione di vettori energetici rinnovabili.
I microrganismi fotosintetici utilizzano la luce come fonte di energia e sono vere e proprie mini-fabbriche viventi che producono ossigeno e immagazzinano carbonio, convertendo la luce solare in energia chimica. Oltre alla loro importanza ecologica come serbatoi di carbonio, questi microrganismi svolgono un ruolo fondamentale anche nelle applicazioni tecnologiche sostenibili per un'industria a impatto climatico zero: vengono utilizzati, ad esempio, nei cosiddetti fotobioreattori per produrre composti chimici specifici per i biocarburanti rinnovabili e idrogeno per le celle a combustibile. Le condizioni ambientali influenzano la motilità dei singoli microrganismi, che a sua volta ha un impatto sul movimento dell'intera comunità di organismi unicellulari. Una migliore comprensione di questi modelli di movimento contribuisce quindi a una progettazione più efficiente dei fotobioreattori.
I microrganismi fotosintetici come l'alga verde unicellulare Chlamydomonas sono veri maestri dell'adattamento. In assenza di luce e ossigeno, il metabolismo dell'alga passa a una sorta di modalità di risparmio energetico, producendo idrogeno molecolare come sottoprodotto. L'intensità luminosa controlla la motilità individuale di ogni cellula: maggiore è l'intensità luminosa, più velocemente si muovono le singole cellule nell'acqua; minore è la luce, più lentamente si muovono. Esiste quindi una correlazione diretta tra intensità luminosa e velocità di nuoto. Tuttavia, gli effetti di questo movimento individuale sul movimento collettivo dell'intera popolazione di organismi unicellulari erano finora sconosciuti. Pertanto, i ricercatori guidati dal Prof. Dr. Oliver Bäumchen della Cattedra di Fisica Sperimentale V dell'Università di Bayreuth hanno studiato il movimento delle singole cellule di Chlamydomonas e il loro effetto su una cosiddetta sospensione di Chlamydomonas , ovvero una comunità microbica galleggiante in un ambiente acquoso.
Il loro studio ha dimostrato che le cellule di Chlamydomonas tendono a trovarsi vicino alla superficie dell'acqua piuttosto che in profondità, in condizioni di elevata intensità luminosa. "Questo comportamento è dovuto alla tendenza dei microrganismi a muoversi contro la gravità. In un corpo idrico naturale, ciò offre un vantaggio evolutivo, poiché gli organismi unicellulari hanno maggiori probabilità di ricevere luce a sufficienza in superficie che a maggiori profondità", ha spiegato Bäumchen.
Il team di ricerca ha inoltre scoperto che, con la diminuzione dell'attività fotosintetica, e quindi della motilità delle singole cellule, si sviluppano correnti direzionali in tutta la comunità cellulare. Questa motilità collettiva si manifesta come un modello di flusso tridimensionale regolare in cui le velocità di flusso e la distribuzione cellulare sono direttamente controllate dall'intensità luminosa. "Queste correnti si sviluppano in condizioni estremamente sfavorevoli di privazione simultanea di luce e ossigeno e potrebbero quindi potenzialmente aiutare la comunità microbica ad ampliare l'esplorazione del proprio habitat naturale alla ricerca di condizioni migliori", afferma Bäumchen.
pubblicazione originale
L'attività metabolica controlla l'emergere di flussi coerenti nelle sospensioni microbiche. Alexandros A. Fragkopoulos, Florian Böhme, Nicole Drewes, Oliver Bäumchen. PNAS (2025)
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