Laboratorio di Genetica dei microorganismi
Responsabile: Dott.ssa Cinzia Calvio
Il Laboratorio di genetica dei microorganismi lavora prevalentemente sull’organismo modello per i batteri Gram-positivi Bacillus subtilis. B. subtilis, è un batterio del suolo, dotato di numerose caratteristiche benefiche. Vivendo nel suolo, è naturalmente dotato di pathway metabolici che lo rendono in grado di degradare biomasse vegetali, contribuendo al riciclo dei nutrienti; inoltre, favorisce lo sviluppo delle piante, migliorando la produttività agricola. Oltre ad essere un paradigma per la genetica microbica, cresce bene in laboratorio su un’ampia varietà di substrati, può essere ingegnerizzato con facilità ed è un perfetto ospite per la produzione di enzimi ricombinanti e degradativi e altri bioprodotti utili all’uomo. Per le sue caratteristiche è già altamente sfruttato in diversi settori biotecnologici, anche a livello industriale.
LINEE DI RICERCA
1) Bacillus subtilis NELLE SFIDE DELLO SVILUPPO SOSTENIBILE - C. Calvio
Per assicurare un futuro al nostro pianeta è richiesto un ripensamento globale dei sistemi produttivi, in modo che questi possano garantire la conservazione e la disponibilità futura delle risorse naturali. Nonostante i cambiamenti climatici già in corso, che metteranno a dura prova le filiere alimentari, nel 2050, la terra dovrà essere in grado di nutrire quasi 10 miliardi di persone. I microrganismi rappresentano attori fondamentali per migliorare la sostenibilità di questi processi riducendone, al contempo, l’impatto ambientale.
Nel laboratorio di genetica dei microrganismi ci occupiamo del miglioramento delle caratteristiche benefiche di B. subtilis per ottimizzarne l’impiego in processi che migliorino la sostenibilità ambientale di molti processi agroindustriali. Alcuni esempi delle ricerche attualmente in corso:
i. Ceppi iperproduttori del polimero naturale γ-PGA possono influire positivamente sulla germinazione di semi in terreni aridi. Insieme al gruppo di Fisiologia Vegetale e di Chimica, abbiamo creato un partenariato internazionale che si propone di sviluppare tecnologie innovative di agricoltura sostenibile, basati su trattamenti di seed priming con l’impiego di ceppi di Bacillus in grado di migliorare il vigore dei semi e le prestazioni della coltura in condizioni climatiche avverse. Il progetto è finanziato da due progetti internazionali, finanziati dalla partnership PRIMA e dalla Comunità Europea.
ii. Nell’ambito dello stesso progetto, insieme al gruppo di Chimica Organica, stiamo sviluppando sistemi di seed coating e altri biomateriali contenenti γ-PGA basati sugli scarti vegetali. ll polimero γ-PGA presenta caratteristiche uniche che lo rendono un prodotto ideale per l’industria alimentare e agricola, e può essere prodotto in maniera sostenibile da biomasse di scarto.
In collaborazione con:
Proff. Alma Balestrazzi e Anca Macovei - DBB e Prof. Daniele Dondi – Dip. di Chimica, UNIPV e consorzi internazionali FORECAST e PROSPER (agricoltura sostenibile)
iii. Abbiamo creato ceppi ingegnerizzati che iper-producono enzimi degradativi attivi sulle biomasse. Stiamo utilizzando questi ceppi per la degradazione di prodotti di scarto a base di cellulosa (cotone e carta) in collaborazione con altri gruppi di ricerca che dispongono di strumenti sofisticati per la caratterizzazione dei prodotti di degradazione.
In collaborazione con:
- Prof. Piotr Młynarz - Dipartimento di Biochimica, Biotecnologia e Biologia Molecolare, Facoltà di Chimica, Università di Scienza e Tecnologia di Breslavia, Polonia;
- Prof. Giorgio Ulisse Scari'– Dip di Bioscienze - Università di Milano.
iv. Abbiamo anche sviluppato un brevetto per la iper-produzione di γ-PGA tramite elettro-fermentazione in collaborazione con:
Prof. Enrico Marsili, Nottingham Ningbo China Beacons of Excellence Research and Innovation Institute, University of Nottingham Ningbo China, Ningbo, China
2) Idrolasi γ-PGA-specifiche come agenti antibatterici e diagnostici - C. Calvio
Abbiamo identificato e caratterizzato quattro nuovi geni in B. subtilis che codificano per γ-PGA idrolasi. Abbiamo scoperto che questi geni, di origine fagica, si sono diffusi in numerose specie batteriche, tra cui alcuni patogeni, attraverso processi di trasferimento genico orizzontale (Mamberti et al, 2015; Ramaswamy et al, 2018). Stiamo caratterizzando l’attività enzimatica e la specificità di substrato di questi enzimi al fine di un loro possibile utilizzo come agenti antibatterici verso patogeni in cui il γ-PGA rappresenta un fattore di virulenza. Inoltre, stiamo sviluppando un sistema diagnostico ultra-sensibile a base elettrochimica basato sul γ-PGA e una delle idrolasi.
In collaborazione con:
- Prof. Carlo Morelli - Dip. di Chimica (Università Statale di Milano);
- Prof. Stefano Cinti - Dip. di Farmacia (Università degli Studi di Napoli)
3) Ruolo biologico di SwrA, Proteina regolatrice di Bacillus subtilis a funzione sconosciuta - C. Calvio
In Bacillus subtilis il sistema a due componenti DegS-DegU è un regolatore centrale che controlla l’espressione di più di cento geni coinvolti nella transizione dalla fase di crescita esponenziale a quella stazionaria, coordina il differenziamento delle singole cellule nelle comunità multicellulari e, in batteri patogeni come Listeria monocytogenes o Bacillus anthracis, è coinvolto nella virulenza. Insieme alla proteina SwrA, che non appartiene ad alcune classe proteica nota, DegU regola in maniera complessa una serie di altri comportamenti in B. subtilis.
Stiamo analizzando più in dettaglio l’effetto, recentemente scoperto, di SwrA su alcuni dei pathways genetici controllati da DegU e stiamo indagando alcune peculiarità che caratterizzano il locus swrA, per capire lo schema di funzionamento di questo sistema genetico-estremamente complesso-ed ancora ignoto.