Sara Costato Via Case Brughé, Ventimiglia, (IM), I

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1 di Anina Gertsch, Sara Costato, Deborah Cooper Docente di riferimento: Roberta Roggeri Liceo Scientifico A. Aprosio, Ventimiglia, sezione 4C ESABAC AninaGertsch Strada San Ferian, 28 bis San Biagio della Cima, (IM), I Sara Costato Via Case Brughé, Ventimiglia, (IM), I Deborah Cooper Via Caduti del lavoro, Ventimiglia, (IM), I INDICE DEI CONTENUTI 1. Introduzione 2. Cos è la bioluminescenza? 3. Protagonisti del fenomeno in natura: VibrioFischeri 4. Trasferimento genico nelle lampadine del futuro 5. Le lampadine : presentazione Escherichia Coli 6. La dimora perfetta: H 2 O 7. AAA cercasi design luminoso Euclide in love with bio light: lampade spaziali Mille e una luce: le ringhiere del futuro Una pioggia di luce: soffitti divini 8. Indirizziamo la luce: fibre ottiche a noi! 9. Aquae memoria: It s time to REC! 10. Conclusioni 11. Ringraziamenti 12. Sitografia/Bibliografia "...la caratteristica di produrre luce non è prerogativa solo del fuoco le gocce di acqua (di mare) spruzzate quando un remo colpisce l acqua appaiono scintillanti e luminose Francis Bacon Introduzione La bolletta della luce aumenta di mese in mese, l acqua è ormai diventata più preziosa dell oro, il prezzo del petrolio è alle stelle; questa è l attuale situazione delle nostre risorse energetiche, e le

2 soluzioni sono sempre state ricercate nel macro-mondo: i raggi del Sole, la forza del vento, le biomasse. Così tra sport e volontariato, tra un argomento e l altro, seguendo gli incoraggiamenti della prof in seguito alla presentazione di questo concorso in classe, ci siamo chieste cosa poteva essere utile per utilizzare le nostre conoscenze per fare qualcosa di concreto. Abbiamo iniziato a sbizzarrirci sui più inimmaginabili soggetti, partendo da un antincendio batterico, passando per un marcatore visibile solo agli infrarossi, per finire nell ambito muscolare; e infine, l idea vincente: perché la nostra piccola amica Escherichia Coli non si può trasformare in una grande fonte di luce? Un semplice intervento chirurgico è quello che serve per far si che il gene della bioluminescenza donato dal lucente VibrioFischeri entri nel suddetto batterio; infatti come in un découpage microbiologico selezioniamo e tagliamo le triplette amminoacidiche a noi utili e tramite i plasmidi le incolliamo nella nostra futuristica fonte di luce. Sapendo che E. Coli si riproduce velocemente, ci ritroviamo ad avere un immensa colonia luminescente che aspetta solo un posto in cui risiedere per illuminare le nostre buie ore: ringhiere illuminate di notte come exploit nel mondo del design, affiancate da lampade futuristiche come semplici originalità, mirate a scalfire i tradizionali clichés presenti nei salotti di chiunque. Inoltre, immaginiamoci un soffitto all insegna della chiarezza e della purezza, che magicamente, di notte, non solo mantiene queste caratteristiche, ma acquisisce addirittura lucentezza propria. Questo a nostro parere è ciò che serve! Nel progetto illustrato, l occhio vuole la sua parte, perché pensiamo che l estetica sia fondamentale per la diffusione delle nostre idee, per poterle applicare in più ambiti possibili; vogliamo conciliare il design con qualcosa di utile e innovativo, magari come piccolo passo verso la risoluzione di uno dei maggiori problemi del momento e del nostro incerto futuro. Ecco anche il motivo per il quale partecipiamo, semplicemente perché con i nostri 17 anni stiamo sognando e sperando di poter muovere grandi cose partendo dal piccolo; crediamo nel lavoro svolto e nelle sue applicazioni e crediamo che sia indispensabile iniziare già da ora a pianificare il nostro futuro. In altre parole, crediamo che noi tre piccole gocce d acqua, possiamo dare anche il nostro piccolo contributo all immenso oceano di grandi scienziati che stanno lavorando per migliorare il nostro mondo. Ed ecco il nostro primo passo: capire e descrivere la natura della bioluminescenza. Cos è la bioluminescenza? La bioluminescenza è un fenomeno per cui organismi viventi, vegetali o animali, emettono luce attraverso particolari reazioni chimiche, nel corso delle quali l'energia chimica viene convertita in energia luminosa. Questo processo è strettamente legato e diffuso negli organismi marini, ma riguarda anche animali terricoli come ad esempio le lucciole. A livello batterico ne esistono alcuni detti Gram-negativi a forma bastoncellare e dotati di flagelli polari che hanno la capacità di emettere energia luminosa. La maggior parte di questi batteri sono marini e appartengono al genere Photobacterium e Vibrio. Alcuni di questi batteri sono aerobi facoltativi, ma la capacità di emettere luce è associata sempre alla presenza di ossigeno. Sono presenti quindi come simbionti all'interno dei fotofori di altri organismi, ma anche liberi nella colonna d'acqua e parassiti del sistema digerente dei pesci. Venendo allo specifico, la luciferasi (gruppo di enzimi che catalizzano l ossidazione della sostanza fotogena luciferina, permettendo l emissione di luce) a livello batterico è caratterizzata da un tipo di regolazione, detta autoinduzione. In coltura, infatti, una sostanza detta auto-induttore, passa liberamente da una cellula batterica all'ambiente, e deve raggiungere una determinata soglia di concentrazione (livello critico), affinché si abbia l'induzione dell'enzima luciferasi, che a sua volta innesca la risposta cellulare. In V. Fischeri l'auto-induttore è un lattone dell'omoserina, la N- beta-chetocaproilomoserina. L autoinduttore induce i geni luxr (attivatoretrascrizionale) e luxi (sintesi di autoinduttore) e vista la sua natura, LuxR si lega al DNA e attiva i geni per la sintesi della luciferina: luxa e luxb. 2

3 Per cui, la capacità di emettere luce è correlata alla densità batterica e all'accumulo dell'autoinduttore. Tale meccanismo è noto anche con il termine di Quorum Sensing. La biochimica della reazione, come già citato, inizia con l'auto-induttore che si lega alla proteina denominata LUX R, la quale a sua volta stimola l'espressione dei geni per la luciferasi (i geni LUX A e LUX B codificano per le sub-unità alfa e beta della luciferasi) e per delle proteine enzimatiche (LUX C, LUX D, LUX E), che catalizzano la formazione di un aldeide alifatica a catena lunga (dodecanale o comunque un aldeide con più di otto atomi di carbonio). L' FMNH2 (flavinmononucleotide) viene ridotto ad opera del NADH che è il donatore primario di elettroni che fluiscono attraverso la luciferasi. L' FMN ora ridotto reagisce in presenza dell'aldeide a catena lunga e in presenza di ossigeno molecolare. La reazione è simile a quella di altre flavine mono-ossigenasi, conosciute anche come ossidasi a funzione mista, perché un atomo della molecola di O2 è incorporato nell'aldeide, che ossidandosi forma l'acido carbossilico, mentre l'altro atomo viene convertito ad H2O. Il prodotto immediato della reazione non è la forma ridotta del flavinmononucleotide (FMN) ma la sua forma eccitata (FMN*) che, ritornando allo stato di minima energia, ritorna al suo stato normale emettendo un quanto di energia luminosa. Senza la presenza delle aldeidi, le luciferasi non hanno la possibilità di ritornare allo stato nativo, e la bioluminescenza si riduce di un fattore È stato dimostrato che il tempo di decadenza dell'energia luminosa dipende dal tipo di luciferasi batterica, dal numero di atomi di carbonio dell'aldeide e dal ph. L energia liberata sotto forma di luce, con una lunghezza d onda piuttosto ristretta, può essere azzurra, verde o giallo-arancione. Non emette però nessun tipo di calore, per questo è anche chiamata luce fredda. Ma, chi possiede questa capacità di emettere luce fredda, e nel contempo può aiutarci a raggiungere il nostro scopo? Oltre alle lucciole e numerose specie di meduse, a noi ne interessa uno in particolare, un batterio marino, di nome V. Fischeri. Protagonisti del fenomeno in natura: Vibrio Fischeri Il batterio marino V.Fischeri esiste in natura sia in condizione di vita planctonica, sia in simbiosi con certi pesci luminescenti o calamari. I batteri formano delle colonie negli organi specializzati nell emissione di luce nei pesci o calamari, che causano in essi la bioluminescenza. Nell ambiente marino, i batteri sono luminescenti solo quando colonizzano gli organi della luce; è importante dal punto di vista evolutivo, per questi batteri regolare in maniera precisa la bioluminescenza come il meccanismo attraverso cui la luce prodotta ha un intensità energetica molto alta. Sono state effettuate delle ricerche che alla fine hanno permesso di poter rispondere alla questione di come V.Fischeri potesse regolare la bioluminescenza e si è arrivati alla scoperta del Quorum Sensing, già citato in precedenza. Per "Quorum Sensing" (QS) si intende il meccanismo di comunicazione batterica intercellulare e dell'espressione genica in risposta alle variazioni di densità di una popolazione batterica e coinvolge la produzione di molecole segnale, dette auto-induttori, attraverso le quali, le cellule possono comunicare. Le funzioni controllate dal Quorum Sensing sono quelle che risultano più efficienti se svolte da una intera comunità microbica. Solo quando si ha il raggiungimento del Quorum, si assiste alla trascrizione di determinati geni. L'attivazione di quest ultima deriva dalla formazione di un complesso con un attivatore trascrizionale del tipo LuxR. Le molecole mediatrici (gli auto-induttori) più comunemente utilizzate dai batteri gram-negativi appartengono alla famiglia degli acilomoserina-lattoni (AHL), prodotti da una sintetasi appartenente alla famiglia delle proteine LuxI e capace di auto-indursi. Ad una certa densità cellulare, gli AHL prodotti, sono in grado di interagire con i recettori della parete batterica che controllano l espressione di specifici geni e modificano le caratteristiche dei batteri. Questo fenomeno consente a tutte le cellule di una popolazione microbica di regolare, in modo 3

4 coordinato, l espressione di una serie di geni in funzione della densità della popolazione stessa Si attua mediante la produzione, secrezione e percezione di molecole segnale specifiche. Alcune delle funzioni controllate dal QS sono: Bioluminescenza Metaboliti secondari (es. antibiotici) Biofilm. Essendo i batteri catalogati in didermi (Gram Positivi) e monodermi (Gram Negativi), anche i meccanismi di trasduzione, come possiamo vedere nella parte sottostante, non sono analoghi, anche se il meccanismo della risposta QS è presente in entrambi i gruppi e vengono prodotti continuamente gli auto-induttori: IL MECCANISMO DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE NEL QS DEI GRAM NEGATIVI La molecola segnale (un feromone o un HSL) entra nella cellula, grazie a una libera diffusione attraverso la membrana, lega specificatamente un regolatore della trascrizione provocando un cambiamento allosterico che attiva il regolatore. IL MECCANISMO DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE NEL QS DEI GRAM POSITIVI La molecola segnale (un peptide) lega un recettore all esterno della cellula il quale trasduce il segnale ad un regolatore della trascrizione, mediante fosforilazione. Il gruppo fosforico viene trasferito al regolatore di risposta che nella forma fosforilata si lega a specifici promotori. Ecco alcuni dei meccanismi più sorprendenti della natura, che a volte è tanto più avanti di numerosi macchinari a disposizione dell uomo, e che quasi ci costringe a copiare i naturali processi in laboratorio, per poterne sfruttare le potenzialità. Trasferimento genico nelle lampadine del futuro Quindi, descritte precedentemente le caratteristiche di V. Fischeri che vorremmo utilizzare, arriviamo ora al modo di farlo: trasferiamo in e. coli il gene della luminescenza e il suo gene regolatore, in questo modo: DUPLICAZIONE DEL DNA Il primo passo per arrivare al trasferimento dei geni della luminescenza nell E. coli, consiste nel duplicare una molecola di DNA di V. Fischeri, con lo scopo di non dover utilizzare troppi esemplari del nostro batterio marino, potendo comunque sfruttarne le caratteristiche nei migliori modi possibili. Questo processo avviene tramite PCR. TAGLIA E INCOLLA CON GLI ENZIMI DI RESTRIZIONE Non essendo necessario trasferire tutta la molecola di DNA, l azione degli enzimi di restrizione (spesso estratti da batteri) ci aiuta a isolare la sequenza specifica da trasferire. Infatti, questi enzimi sono in grado di riconoscere e tagliare una parte di DNA in corrispondenza di una determinata sequenza nucleotidica; possiamo generalmente dividerli in esonucleasi (iniziano da un estremità e tagliano verso la parte opposta) ed endonucleasi (tagliano i legami interni in una molecola lineare o circolare); in particolare a noi interessano le endonucleasi di tipo II, in quanto non hanno bisogno di energia e tagliano la molecola in un punto ben specifico. TRASFERIMENTO GENICO ORIZZONTALE Per trasferire uno o più geni in una cellula ospite, nel nostro caso si tratta di batteri, ci sono diversi modi, come la trasduzione o la trasformazione; il processo che fa al caso nostro, però, è la coniugazione, visto che non è necessario trasferire l intero DNA, e che non possiamo garantire al 100% le condizioni nelle quali avverrebbe la trasformazione. Coniugazione: è un processo mediante il quale vengono trasferiti frammenti di DNA da una cellula in contatto con un altra, grazie all uso dei plasmidi; in precedenza questi plasmidi, dotati di DNA proprio, avevano subito una modifica, conseguente a un taglio effettuato nel DNA da parte degli enzimi di restrizione. Viene dunque a formarsi un DNA ricombinante. Quest ultimo, per contatto con la cellula ospite, avvenuto grazie a dei pili coniugativi, dopo essere stato diviso in due frammenti intraprende due strade diverse: un frammento andrà 4

5 nella cellula bersaglio, mentre l altro resterà nel donatore. Più precisamente il plasmide che si utilizza per replicare un gene in una cellula batterica è detto di replicazione. Una volta inserito il DNA ricombinante nell E. Coli, iniziano le procedure della sintesi proteica, grazie a un particolare tipo di plasmide, detto di espressione, che reca al suo interno, a monte del sito di clonaggio, una sequenza riconosciuta dal batterio come "promotore" e quindi il batterio trascriverà e successivamente tradurrà il gene come qualsiasi altro gene appartenente al suo patrimonio genetico. Data la velocità di riproduzione di E. Coli, in pochissimo tempo viene a formarsi un intera colonia del sopracitato batterio. Per quanto riguarda la pratica espressione della luce, ci siamo basati su uno studio già effettuato e brevettato dall università di Cambridge: One major obstacle to harnessingbioluminescenceisthat the processrelies on a class of compounds called luciferins. They emit light and are then converted into oxyluciferin, which cannot produce light. To counter this, the Cambridge team found a way to engineer BioBricks that would enable organisms to produce enzymes to recycle oxyluciferin. Ora, sorge la necessità di approfondire le nostre conoscenze riguardo a questo batterio, tagliato quasi su misura per i nostri scopi. Le lampadine : presentazione Escherichia Coli E. Coli è un batterio classificato nei coliformi: essi presentano alcune caratteristiche comuni, sia morfologiche sia biochimiche, utilizzate anche per la loro identificazione. In particolare, i coliformi sono batteri a forma di bastoncelli gram-negativi, asporigeni, aerobi ed anaerobi facoltativi, che fermentano il lattosio, con produzione di gas ed acidi, a C in 48 ore e possiedono l'enzima beta-galattosidasi. Sono organismi ubiquitari, alcuni sono presenti nel materiale fecale, e sono quindi utilizzati come indicatori di inquinamento sia delle acque sia degli alimenti, altri sono di origine acquatica o tellurica. Il gruppo comprende oltre 50 generi, tra cui Escherichia; in particolare E. Coli ha come habitat naturale l'intestino dell'uomo e di altri animali a sangue caldo, e costituiscono il sottogruppo dei coliformi fecali. CARATTERI MORFOLOGICI E COLTURALI Hanno forma bastoncellare, con estremità arrotondate. Le dimensioni variano tra 1-3 micron di lunghezza e micron di larghezza. La grande maggioranza dei ceppi è mobile a causa di ciglia peritriche e molti, inoltre, possiedono sottili prolungamenti diritti,molto più corti delle ciglia, di natura proteica, denominati fimbrie. Non formano spore, in genere non sono capsulati e sono gram-negativi. Dal punto di vista nutrizionale non presentano esigenze particolari e crescono su tutti ordinari terreni di coltura. Sono aerobi e anaerobi facoltativi. I ceppi capsulati danno origine a colonie mucoidi, che si distinguono bene da quelle della variante liscia. RESISTENZA E. Coli in genere viene ucciso se esposto alla temperatura di 60 per 15 minuti; alcuni ceppi però presentano una maggiore termo-resistenza. È sensibile all azione di certi coloranti È inibito nella crescita da vari antibiotici, in particolare cloramfenicolo, streptomicina e tetracicline. HABITAT È ospite abituale dell intestino dell uomo e di altri animali, che lo eliminano in grandissima quantità con le feci. È un rapido mutante, in grado di moltiplicarsi a grande velocità (una colonia duplica in circa 20 minuti) e si adatta a qualsiasi ambiente. Lo troviamo infatti sugli strumenti medici, sulle mani, nella bocca, nel naso, in tutte le mucose, nei capelli, nella vescica, sugli asciugamani, sui sanitari, nelle condutture dell acqua ecc. L ambito di temperatura in cui si moltiplica è tra 10 e 45 gradi centigradi, con optimum a 37 gradi centigradi; in PH ottimale e di 7.4. Ha, inoltre, grande resistenza come è testimoniato da uno studio di Abigail F. Weliver, Heatas a 5

6 Microbial Agent. Poiché il batterio E.Coli è sia criofilo che termofilo, esso prolifera addirittura nell acqua saponata e vive sul sapone. PATOGENICITÀ E. Coli in condizioni ordinarie è un saprofita, ma in particolari condizioni diventa una patogeno occasionale producendo fenomeni morbosi. Negli ultimi mesi il batterio E. Coli ha avuto un picco di popolarità; praticamente sconosciuto ai più, fino a pochi mesi fa, adesso è una sorta di pop star. Ma che cosa è veramente E. Coli? Innanzitutto è un batterio non pericoloso, talmente innocuo che risiede nel nostro intestino, componente principale della famosa flora intestinale di cui tanto si parla in molte pubblicità televisive. Normalmente E. Coli risiede nell intestino dei mammiferi (tra cui l uomo) aiutando la digestione dei cibi, quindi non solo non è pericoloso ma il suo contributo è fondamentale. E. coli oltre ad essere, soprattutto nell ultimo periodo una pop-star per i media, è anche un VIP delle biotecnologie. Questo perché E. Coli è considerato un organismo modello per quanto riguarda i procarioti (batteri), estensivamente studiato e comunemente utilizzato nelle esercitazioni delle facoltà scientifiche. Come è possibile che un batterio innocuo diventi così pericoloso come le cronache di questi giorni testimoniano? Questo può succedere a causa di un fago, cioè un virus che attacca i batteri. Come succede sempre nel caso di infezioni virali, il virus costringe la cellula ospite a produrre delle proteine virali, che poi verranno assemblate per produrre il virus. A questo punto, quando la cellula batterica sarà piena di virus, questi ultimi la romperanno e usciranno per infettare altri batteri. Ma per l astuto fago non è sufficiente, perché oltre a costringere E. Coli a produrre altri virus, lo induce a produrre delle verocitotossine che verranno rilasciate nell organismo al momento della rottura dell involucro batterico. Queste tossine sono in grado di attaccare i ribosomi umani, cioè quelle macchine biologiche deputate alla produzione di proteine, causando i gravi problemi che sentiamo in questi giorni al telegiornale. E. Coli infettato da questo particolare fago viene chiamato E. Coli VTEC. Esistono elementi distintivi tra ceppi commensali e ceppi patogeni sia per l aspetto filogenetico sia per la presenza di specifici fattori di patogenicità (FP). I geni codificanti molti dei FP noti sono di provenienza esogena, acquisiti, nel corso dell evoluzione, dal genoma di altre specie. Talvolta sono veicolati da plasmidi e fagi, spesso sono integrati nel cromosoma batterico in associazioni definite isole di patogenicità. La loro presenza è predominante nei ceppi ascrivibili ai due gruppi filogenetici B2 e D. Sulla base di queste conoscenze, il nostro progetto comprende la rimozione, tramite meccanismi di ingegneria genetica, dei noti geni patogeni. Inoltre, per limitare al minimo i rischi da infezione, i sistemi di tubature e ogni altra struttura saranno tenuti più sterilmente possibile, con particolare attenzione ai punti di incontro, dove verranno utilizzati materiali isolanti e guarnizioni. Com è noto, in questi tubi scorrerà il composto vitale per il nostro pianeta, l acqua, che ora analizzeremo più nel dettaglio. La dimora perfetta: H 2 O COMPOSIZIONE DELL ACQUA L'acqua marina contiene tutti o quasi gli elementi chimici presenti sulla crosta terrestre, in particolare: H 2 O = Ossigeno + Idrogeno sotto forma di acqua, ne costituiscono il 96% circa. Sodio Cloro Magnesio Calcio Silicio Potassio 6

7 Questi componenti sono quelli presenti in percentuale maggiore, sotto forma di soluzione dei corrispondenti sali, ma ad essi si aggiungono altri sali in percentuali minime. SALINITA L'acqua di mare contiene in soluzione circa 38 g/l di sali quali il cloruro di sodio, il cloruro di magnesio ed il solfato di magnesio che sono tra loro sempre nello stesso rapporto mentre varia la quantità totale da mare a mare. L'acqua degli oceani è meno salata rispetto al Mediterraneo. GAS DISCIOLTI L'acqua marina assorbe i gas atmosferici (ossigeno, anidride carbonica, azoto) che si diffondono lentamente in essa. L'ossigeno è indispensabile per tutti gli organismi viventi, si trova disciolto nell'acqua di mare in quantità che varia da O a 8,5 ml/l, ed è più abbondante nelle acque superficiali ed in quelle fredde. L'azoto sotto forma di nitriti, nitrati ed ammoniaca, viene utilizzato dai batteri e vegetali per la costituzione di aminoacidi che sono i composti base delle proteine. L utilizzo di acqua di mare, ci permette di non ricorrere alle tanto preziose risorse di acqua potabile; dopo l analisi della sua composizione, è giunto il momento di descrivere i diversi alloggi della suddetta. AAA cercasi design luminoso: Euclide in love with biolight Come applicazioni avevamo pensato a campi riguardanti il design; un design moderno, efficace e armonico, incentrato sull elemento più ricercato degli ultimi decenni: la luce. Ed ecco le nostre proposte: Lampade spaziali: innovative, comode e pratiche, da mettere sul comodino, sulla scrivania o in sala, senza doversi minimamente preoccupare della bolletta della luce. Saranno costituite da forme geometriche solide, riempite di soluzione Ringhiere del futuro: hai paura di inciamparti al buio? Con le nostre ringhiere il problema è superato! Saranno semplici tubi di plexiglass Soffitti divini: cerchi l illuminazione dall alto? Eccoti una pioggia di luce. Immaginiamo un pavimento/acquario in sospeso, con una minor quantità di soluzione riposta nei diversi blocchi in cui sarà suddiviso il soffitto E se rischiando proponessimo alle generazioni future di applicare la nostra idea anche ad oggetti un po stravaganti come le tazze del gabinetto o alla segnaletica stradale? Vi lasciamo con questa proposta! Le strutture possono essere realizzate sia in vetro, che in plexiglass, a seconda delle proprie preferenze; in ognuna di loro sono impiantati in diverse zone degli specchi, che aumenteranno la luminosità del fenomeno. Semplicemente, al posto dell interruttore per la corrente elettrica, azioniamo una leva per immettere nel sistema (acqua) una quantità di batteri maggiore a quella già presente; la maggior densità, attiverà il fenomeno del Quorum Sensing: abbiamo acceso la luce. Però, come funzionano in concreto queste strutture? Distinguiamo tra lampade, ringhiere e soffitto: Lampade: supponiamo di avere una piramide piena di soluzione e un numero x di batteri: non avviene nessuna sintesi proteica e la lampada è spenta. Nel momento in cui vogliamo accendere la luce, azioniamo una valvola alla base della lampada stessa, alla cui apertura conseguirà, grazie ad una pompa idraulica, l ingresso di un numero y di batteri nel sistema (questi batteri sono conservati a una normale densità all interno di un apposito contenitore, posto in prossimità della pompa, ovunque vogliamo; resta solo da definire la lunghezza dei tubi che lo collegano agli effettori veri e propri). Il conseguente aumento di densità all interno della colonia, darà vita al Quorum Sensing e alla successiva sintesi proteica, con 7

8 emissione di luce (x + y luce). Per poi spegnere la luce, basta chiudere la valvola, facendo tornare normale il valore di densità coloniale in entrambi i contenitori. Ringhiere: in questo caso la nostra proposta è un circuito chiuso, in cui la parte inferiore funge da contenitore della quantità y di batteri, separata di nuovo tramite valvole dalla parte superiore; come prima, giochiamo sulla densità, lasciando invariato il volume di soluzione. In questo caso, però, le valvole dovranno essere unidirezionali, per non permettere il riflusso nella parte inferiore e la conseguente perdita di controllo sul meccanismo di attivazione. È necessario anche qui l uso di una pompa. Soffitto: soffitti in vetro ne esistono a migliaia, ma quanti di questi hanno dell acqua vivente e luminosa all interno? Noi abbiamo tentato a dare uno spunti alla realizzazione di questa innovazione. I reagenti restano pressoché invariati: una pompa idraulica, uno o più contenitori per la quantità y, cambia però la comunicazione tra i vari settori: essendo il soffitto suddiviso in diversi blocchi, è necessario che questi siano messi in relazione, tramite un sistema di tubature, impiantate in quei cosi tra i vetri di cui non so il nome, a loro volta collegati ai contenitori e, alla pompa. Qui il meccanismo di on/off è pressoché uguale a quello adottato per le lampade, esclusa la maggior dimensione e articolazione. Le descrizioni qui, sono fuori luogo, lasciamo parlare le immagini: [riferimento alle pagine dell allegato, contenenti le lampade, le ringhiere e il soffitto]. Evidente opposto alla chiara visibilità delle immagini, troviamo nelle fibre ottiche un invisibile metodo per indirizzare la luce. Indirizziamo la luce: fibre ottiche, a noi! Specialmente per quanto riguarda l ottimizzazione dei soffitti, abbiamo pensato di ricorrere alla tecnica delle fibre ottiche, per indirizzare meglio la luce dove di nostro gradimento; eccone di seguito una panoramica (La fibra ottica può essere costruita sia in vetro, che in materiali sintetici). La tecnica d illuminazione a fibre ottiche, permette di superare e di realizzare soluzioni estetiche o funzionali che non sempre sono attuabili con l impiego di sistemi tradizionali. Questa tecnica offre i seguenti vantaggi: E possibile disporre la sorgente di luce in un luogo particolarmente sicuro, di agevole accesso ed adatto a consentire una facile manutenzione; questo vantaggio per noi è notevole, viste le originali applicazioni. I cavi a fibre ottiche sono infrangibili e resistenti ad atti vandalici, per cui, sarebbero applicabili anche in luoghi pubblici. E garantita la massima sicurezza per quanto attiene ai pericoli di folgorazione e d incendio, poiché i materiali adottati per convogliare la luce non conducono elettricità gas e calore; questo, oltre a rappresentare una garanzia per ognuno, è particolarmente importante per eventuali bambini, che potrebbero trovarsi a contatto con, ad esempio, una lampada. E facile far seguire alla luce dei percorsi anche molto tortuosi, quindi un elevata flessibilità che consente disegni e applicazioni difficilmente realizzabili; qui, troviamo un grande vantaggio, in quanto applicate a un soffitto, è facile che le fibre si trovino a dover superare diversi ostacoli. Possibilità di applicazioni sia all interno che all esterno. Si ottiene un risparmio energetico e un risparmio economico sulla manutenzione. L impiego di opportuni filtri consente sia di separare le radiazioni IR (consegue l eliminazione del calore), sia i raggi UV (causa della corrosione dei colori). STRUTTURA Una fibra ottica è costituita da un sottile filo di vetro a base di silice, con un nucleo interno denominato core con diametro che va da 10 a poche decine di µm., ricoperto da un rivestimento 8

9 concentrico, anch esso di vetro, trasparente alla luce ed alla radiazione infrarossa, denominato mantello (cladding), con diametro di circa 125 µm. Il cladding ha indice di rifrazione n2 di poco inferiore a quello del core n1 (dal 2 al 9 per mille in meno). Il core e il cladding, a loro volta, sono ricoperti da un rivestimento primario di materiale plastico (guaina) per la protezione della fibra dalle abrasioni meccaniche; il suo diametro è di 250 µm. LA PROPAGAZIONE DELLA LUCE Poiché l indice di rifrazione n1 è maggiore di quello del cladding n2, è possibile imporre che l angolo d incidenza a alla superficie di separazione tra core e cladding sia maggiore dell angolo limite a L. In questo modo il raggio subisce una riflessione totale e si propaga nel core per riflessioni multiple. Si osservi che, trascurando le perdite, non vi è dispersione di energia radiante verso l esterno, poiché si lavora in assenza di rifrazione; questo implica che la luce viene trasmessa con una ripartizione energetica del flusso luminoso in uscita molto simile a quella del flusso in entrata dalla lampada (vantaggio ). Infatti se l angolo di incidenza fosse inferiore a quello limite si avrebbe rifrazione nel cladding, una parte del fascio luminoso si disperderebbe verso l esterno e solo la parte rimanente si propagherebbe nel core. Per questo motivo si lavora a riflessione totale. ILLUMINATORE Costituisce la sorgente di luce che dà vita alle nostre fibre; le potenze in gioco sono varie e vanno dai pochi Watt ad alcune centinaia. Nella scelta di un illuminatore va dunque considerata dapprima la tipologia di luce che si vuole utilizzare, con caratteristiche di temperatura colore differenti, la lunghezza e i diametri delle fibre in gioco, gli spazi di alloggiamento, l ambiente d uso e di conseguenza il suo indice IP. L illuminatore può essere munito di filtro colore e di dispositivo DMX per effetti speciali in applicazioni scenografiche. ACCESSORI Sono le cosiddette terminazioni, per correggere l angolo di emissione, con l effetto di restringere oppure allargare il cono di luce uscente. Si presentano come semplici lenti applicate ad un capo della fibra oppure veri e propri faretti, con decorazioni e supporti fissi od orientabili, anche di pregevole fattura. Giunti ora quasi alla fine dell esposizione, ci inoltriamo in un campo ancora poco esplorato, ma a nostro avviso, molto promettente: la memoria dell acqua. Aquae memoria: it s time to REC! Il primo passo in quest avventura, si compie in laboratorio: usando esemplari di E. Eoli modificati come descritto in precedenza, diamo inizio alla sintesi proteica della luciferina. Una volta espressa la proteina, andremo a purificare l acqua con un comune sistema di filtraggio, simile a quello usato in piscine e acquari, uccidendo tutti i batteri. Ci ritroviamo quindi, con una soluzione priva di E. Coli, ma con notevoli spazi e soprattutto infinitesimali dosi di luciferina. La soluzione ora presente, nel momento in cui vogliamo accendere la luce, va usata come ambiente per altri E. Coli non modificati, che, stimolati dalle tracce di DNA lasciate dal precedente passaggio, emetteranno luce (legge di Arndt-Schultz). Al momento dell off, le procedure si ripeteranno. Questo processo è sperimentale, non ancora scientificamente provato, studiato prevalentemente da Luc Montaigner riguardo alle sue applicazioni nell omeopatia. Noi proponiamo la ricerca in questo campo per la suddetta applicazione, come possibile futuro campo d azione della memoria dell acqua. 9

10 Conclusioni Ci hanno chiesto in quale ambito scientifico si collochi il nostro progetto: è stata una delle difficoltà maggiori che abbiamo riscontrato. V. Fischeri come donatore, E. Coli come esecutore, acqua di mare come habitat, luce come risultato; combinazione perfetta per un design oltremodo spettacolare, dettagliato dall utilizzo di fibre ottiche e (si spera) all inizio di un nuovo e avventuroso percorso della memoria dell acqua. Niente di comune, tante idee combinate come le tessere di un mosaico destinati a formare qualcosa di unico e sublime. È questo ciò che abbiamo tentato di ottenere: l interdisciplinarità tra ambiti apparentemente distanti anni luce l uno dall altro, combinatisi per far fronte ad alcuni problemi che odiernamente offuscano la mente di gran parte della nostra società. Ci piacerebbe sognare un ulteriore utilizzo del nostro progetto: è noto a tutti che facendo il bagno al mare di notte l acqua è molto più calda rispetto al resto della giornata.si tratta di un fenomeno dovuto alla capacità dell acqua di immagazzinare il calore proveniente dal sole. Questo ci ha fatto riflettere e dunque abbiamo pensato di sfruttare il calore che i vetri contenenti acqua ed esposti all esterno e ai raggi solari possono rilasciare dopo una bella giornata per donare tepore agli interni delle nostre case. Ringraziamenti Per la realizzazione di questo progetto dobbiamo ringraziare in particolar modo la nostra professoressa Roberta Roggeri, che non solo ci ha ispirate e sostenute, ma si è mostrata anche incredibilmente paziente; è stata semplicemente meravigliosa. Merita la nostra più viva riconoscenza il sig. Roberto Agnesani, per la sua disponibilità e il suo impegno dimostratoci. I suoi consigli sono stati indispensabili e fruttuosi. I nostri genitori, che ci hanno sostenuto in tutti i modi: i Migliori! Anna Maria Mazzolini, Bruno Minazzo, Felice Balestra, Andrea Andrisani e Lara Campana, meritano la nostra più sentita gratitudine. Bibliografia Enciclopedia medica italiana, seconda edizione, 1976, edizioni: USES, libro 6 Sitografia /