Percezione olfattiva del dittero Hermetia illucens: fonte di ispirazione per lo sviluppo di nuovi biosensori per il monitoraggio della shelf life dei prodotti agroalimentari

Lo studio della fisiologia degli insetti a livello molecolare e l'implementazione di tecnologie innovative consentono lo sviluppo di applicazioni in grado di far fronte a molte problematiche umane, attraverso l'uso delle biotecnologie. L'aspetto innovativo consiste nella capacità di sfruttare i fenomeni naturali e fisiologici, come fonte di ispirazione per applicazioni biotecnologiche, utili per migliorare la qualità della vita. Un esempio in questo senso è rappresentato dalla percezione olfattiva del dittero Hermetia illucens, un insetto saprofago che ha suscitato un notevole interesse nel mondo per la bioconversione dei rifiuti organici. Può essere considerato uno spazzino della materia organica: le femmine ovidepongono in prossimità del materiale organico in decomposizione e, dopo la schiusa delle uova, le larve si nutrono di questo materiale fino al raggiungimento dello stadio pupale. Sono larve in grado di nutrirsi di un’ampia varietà di materiale organico in decomposizione, sia di origine animale che vegetale. L’attenzione rivolta al sistema olfattivo di Hermetia illucens ha portato all’identificazione e alla caratterizzazione funzionale delle Odorant Binding Proteins (OBPs), proteine che mediano la chemorecezione dei composti organici volatili (VOCs) più attrattivi, trovati nella materia organica in decomposizione. OBPs in grado di riconoscere VOCs indicativi della decomposizione organica sono state utilizzate come sensing layers in sensori innovativi basati su Microbilance a Cristalli di Quarzo (QCM), per monitorare la conservazione e la shelf life dei prodotti nell’intera filiera agroalimentare, consentendo un nuovo approccio alla logistica degli alimenti. L'identificazione delle OBPs in Hermetia illucens (HillOBPs) è stata condotta attraverso un approccio “omico”, basato su RNA-seq, assemblaggio de novo e annotazione di trascrittomi relativi a larve e adulti (maschi e femmine). Sono state scelte 15 HillOBPs espresse sia nelle larve che negli adulti. Uno studio bioinformatico ha fornito le strutture 3D di queste proteine e la tecnica del docking molecolare è stata utilizzata per calcolare le energie di interazione e le affinità con le strutture chimiche di 45 VOCs di interesse, relativi a diversi substrati in decomposizione colonizzati da larve di H. illucens. Queste analisi preliminari in silico hanno confermato la capacità delle HillOBPs di legare i VOCs, evidenziando siti di legame utili per la progettazione razionale del biosensore basato su QCMs. Questi dati sono stati successivamente confermati con quattro HillOBPs usate per costruire il biosensore. Le prime quattro HillOBPs clonate, espresse e purificate, sono state immobilizzate sulle lamine di oro che compongono le QCMs, attraverso la tecnica del self-assembled monolayer (SAM) e sono state rilevate le interazioni molecolari tra HillOBPs e VOCs in fase gassosa. Una microbilancia a cristallo di quarzo è una bilancia estremamente sensibile, che misura in tempo reale variazioni di massa nell’ordine dei nanogrammi/picogrammi. Questa tecnologia si basa sulle proprietà piezoelettriche dei cristalli come il quarzo, che sono in grado di oscillare con una frequenza costante (in questo caso 20 MHz). Incrementi di massa dovuti alla formazione del complesso proteina-ligando sono direttamente proporzionali alla riduzione della frequenza di oscillazione della microbilancia, così come descritto nella nota equazione di Sauerbrey. Gli esperimenti condotti finora hanno fornito informazioni utili sulla selettività del biosensore, intesa come la capacità di discriminare VOCs di diversa natura. Quattro composti indicativi della decomposizione lipidica (isovaleraldeide, isobutiraldeide, 2-metilbutiraldeide, acido butirrico) sono stati rilevati dal biosensore con elevata affinità in un pool di 45 VOCs, noti per essere marcatori del deterioramento organico. Sono in corso ulteriori test per verificare la stabilità del biosensore e i suoi limiti di rilevazione