La notizia che ci giunge dal Center of Applied Space Technology e Microgravity dell'Università di Brema, racconta di un metodo per la coltivazione di batteri fotosintetici in condizioni atmosferiche simili a quelle di Marte. Lo scopo? Ricavare, grazie alle tecniche di biotecnologia, sostanze nutritive per l’alimentazione degli astronauti che prenderanno parte alla prima missione umana sul pianeta rosso.

TAKEAWAY

• La NASA è impegnata nella conduzione di programmi di ricerca nel campo delle biotecnologie agro-alimentari. Tra le motivazioni, il fatto che, nella sua agenda, c’è l’invio, all’inizio del 2030, delle prime missioni umane su Marte.
• Tra le criticità delle missioni spaziali, c’è l’alimentazione dell’equipaggio. E, nel caso specifico delle missioni in programma su Marte, il cibo è previsto provenga direttamente dal pianeta rosso.
• A tale scopo, l’Università di Brema ha sviluppato un metodo per la coltivazione di batteri in condizioni atmosferiche simili a quelle di Marte, da esportare sul pianeta e dal quale ricavare, grazie alle tecniche di biotecnologia, sostanze nutritive per l’alimentazione degli astronauti.

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Biotecnologie e missioni spaziali: parrebbe un connubio stravagante e invece designa un inedito ambito di applicazione che vede le tecnologie biotech sviluppare prodotti e processi a supporto della permanenza prolungata nello spazio, in particolare per fornire nutrienti essenziali agli astronauti.

Proprio la NASA – National Aeronautics and Space Administration è attivamente impegnata nella conduzione di numerosi programmi di ricerca nel campo delle biotecnologie agro-alimentari. Tra le motivazioni, il fatto che, nella sua agenda, c’è l’invio, all’inizio del 2030, delle prime missioni umane su Marte, in collaborazione con altre importanti agenzie spaziali. Dunque, iniziano i preparativi.

Tra le maggiori criticità delle missioni spaziali, oltre a quelle riguardanti l’equilibrio psico-fisico dell’equipaggio, c’è anche l’alimentazione. Nel caso delle missioni umane in programma su Marte, il cibo e gli altri materiali di consumo – sottolinea la NASA – è previsto provengano direttamente dal pianeta rosso, in quanto importarli dalla Terra sarebbe impraticabile a lungo termine.

Riguardo a tale questione, in un articolo in tema di biotecnologie e missioni spaziali – apparso di recente sul portale di informazione scientifica Frontiers in Microbiology – Cyprien Verseux, astrobiologo, nonché direttore del Laboratorio di microbiologia spaziale applicata presso il Center of Applied Space Technology e Microgravity dell’Università di Brema, in Germania, spiega che tra gli organismi viventi deputati a rendere sostenibili, dal punto di vista alimentare, le missioni a lungo termine su Marte, figurano i cianobatteri, fili di batteri fotosintetici un tempo chiamati “alghe azzurre”, ritenuti essere gli organismi che hanno prodotto per primi l’ossigeno atmosferico come scarto della fotosintesi ossigenica.

Biotecnologie e missioni spaziali: i cianobatteri candidati al supporto dell’alimentazione in orbita

Poiché tutte le specie producono ossigeno attraverso la fotosintesi, e alcune sono addirittura in grado di fissare l’azoto atmosferico in nutrienti, i cianobatteri, in tema di biotecnologie e missioni spaziali, sono considerati i candidati ideali a supportare l’alimentazione degli equipaggi in orbita.

Dal punto di vista “tecnico”, però, si presenta una difficoltà non da poco: questi organismi non possono essere coltivati su Marte, dove la pressione atmosferica totale è inferiore all’1% rispetto a quella terrestre (ovvero da 6 a 11 centinaia di Pascal, il cui simbolo è hPa), troppo bassa, quindi, per generare acqua allo stato liquido, mentre la pressione parziale dell’azoto gassoso – da 0,2 a 0,3 hPa – è troppo bassa per il loro metabolismo.

E ricreare un’atmosfera simile a quella terrestre sarebbe molto costoso, in quanto i gas dovrebbero essere importati e il sistema di coltura, per poter resistere alle differenze di pressione, deve essere “robusto”, quindi pesante da trasportare.

A questo punto, gli scienziati del Center of Applied Space Technology e Microgravity dell’Università di Brema, guidati da Cyprien Verseux, hanno trovato una via di mezzo, ossia la creazione, sulla Terra, di un’atmosfera artificiale simile a quella di Marte, ma che permetta ai cianobatteri di crescere in modo ottimale. In che modo? È stato messo a punto un bioreattore chiamato ATMOS – Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems, in cui i cianobatteri potranno essere coltivati in atmosfere artificiali a bassa pressione.

A parte azoto e anidride carbonica, i gas presenti nell’atmosfera e l’acqua che potrebbe essere estratta dal ghiaccio, le sostanze atte a nutrire questi organismi dovrebbero provenire dalla regolite, vale a dire dall’insieme di sedimenti, polvere e frammenti di materiale che compongono lo strato più esterno della superficie della Terra e di corpi celesti come la Luna e Marte. In particolare, poi, la regolite marziana ha dimostrato di essere ricca di sostanze nutritive come fosforo, zolfo e calcio.

Il bioreattore ATMOS dispone di nove contenitori da un litro fatti di vetro e acciaio, ciascuno dei quali è sterile, riscaldato, a pressione controllata e monitorato attraverso strumenti digitali.

Riguardo al ceppo di cianobatteri prescelto per l’esperimento nell’ambito di biotecnologie e missioni spaziali, il team di studio ha optato per Anabaena: test preliminari hanno dimostrato che questo organismo possiede caratteristiche che lo rendono abile nell’utilizzare le risorse marziane e nell’aiutare a coltivare altri organismi. Più nel dettaglio, è stato dimostrato che specie strettamente imparentate a questo batterio sono commestibili, adatte all’ingegneria genetica e in grado di formare cellule dormienti specializzate per sopravvivere a condizioni difficili.

Si punta alla progettazione di un sistema di coltivazione biotech direttamente su Marte

Cyprien Verseux e i suoi colleghi hanno coltivato Anabaena per dieci giorni all’interno di una miscela artificiale composta per il 96% di azoto e per il restante 4% di anidride carbonica, a una pressione atmosferica di 100 hPa, dieci volte inferiore rispetto a quella della Terra.

Poiché nessuna regolite è mai stata importata da Marte, il team ha dovuto utilizzare un substrato sviluppato dall’Università della Florida chiamato “Mars Global Simulant”.Ma, a tale proposito, precisa Verseux:

“Mentre il sistema standard che abbiamo sviluppato lo importeremo dalla Terra, la regolite è onnipresente su Marte. E noi intendiamo utilizzare come nutrienti le risorse disponibili su quel pianeta. E solo quelle“

La biomassa essiccata di Anabaena è stata poi macinata, sospesa in acqua sterile, filtrata e utilizzata come substrato per la crescita dell’Escherichia coli. Il nome di quesito batterio spaventa, in quanto alcuni suoi ceppi sono pericolosi per l’uomo. Ma è importante, qui, ricordare che la sua capacità di svilupparsi velocemente è favorevoli al suo utilizzo come organismo di modello nella genetica molecolare, dove il suo metabolismo è manipolato per produrre prodotti specifici.

Perché questo passaggio che vede l’Anabaena usata come substrato per la crescita dell’Escherichia coli? In questo modo i ricercatori hanno dimostrato che gli zuccheri, gli amminoacidi e altri nutrienti contenuti nel cianobatterio possono essere estratti e utilizzati per nutrire altri batteri già collaudati in biotecnologia.

Ad esempio, il batterio Escherichia coli potrebbe essere coltivato più facilmente di Anabaena per produrre alcuni prodotti alimentari e medicinali su Marte. Cosa che, con i cianobatteri, non è possibile fare.

Gli esiti positivi di questa ricerca, esempio eloquente nel campo delle biotecnologie e missioni spaziali, rappresenta un progresso importante. I ricercatori concludono che i cianobatteri che fissano l’azoto e producono ossigeno possono essere coltivati in modo efficiente su Marte, a bassa pressione e in condizioni controllate, con ingredienti esclusivamente locali.

Ma gli autori avvertono che sono necessari ulteriori studi. L’obiettivo è testare altri generi di cianobatteri – geneticamente più adattati allo studio in materia di biotecnologie e missioni spaziali – e progettare un sistema di coltivazione da utilizzare direttamente su Marte, senza l’ausilio di un bioreattore “terrestre” che fissa in precedenza il metodo:

“Il nostro bioreattore ATMOS non è il sistema di coltivazione che useremo su Marte. Ha lo scopo di testare, sulla Terra, le condizioni che forniremo lì. Ma i nostri risultati aiuteranno a guidare la progettazione di un sistema di coltivazione interamente marziano, adatto alle specifiche condizioni di quel pianeta. E questo è il valore della nistra ricerca”

conclude Verseux.