Bioreattori per la colonizzazione di Marte

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Nel film del 2015 “Sopravvissuto – The Martian” di Ridley Scott osserviamo l’astronauta Mark Watney, interpretato da Matt Demon, cercare di sopravvivere da solo, isolato sul pianeta Marte. Il film mette in luce i problemi fondamentali che i primi colonizzatori dovranno affrontare: la scarsità di risorse e l’ambiente ostile. Ma un team dell’Università di Brema ha ideato un bioreattore per la coltivazione di cianobatteri su Marte sfruttando solamente materie presenti in loco, sperando di diminuire i costi delle missioni e la loro dipendenza dalle spedizioni dalla Terra.

Tra la Terra e Marte

L’ambiente di Marte è estremamente diverso dalla Terra. Attualmente inospitale per la vita, così come la conosciamo noi, la sua colonizzazione porta tutta una serie di problematiche legate anche alla distanza con il nostro pianeta. Come abbiamo visto con il recente arrivo di Perseverance, le comunicazioni tra i due pianeti hanno un ritardo di circa 7 minuti; la distanza in minuti-luce tra noi ed il pianeta rosso varia da un minimo di 3 ad un massimo di 22, con una media di 12 minuti-luce.

E, visto che noi siamo infinitamente più lenti della luce, impieghiamo mesi per far arrivare una quantità risicata di strumentazione su Marte: ogni kg in più significa un consumo maggiore di carburante. Per questi ed altri motivi, le prime missioni umane su Marte dovranno essere quanto più possibili indipendenti dalla Terra. Nella storia dell’uomo i colonizzatori hanno sempre cercato zone ricche di acqua e terreni coltivabili dove stabilirsi; ma nello spingerci oltre la nostra atmosfera questa realtà storica viene mutata dall’inospitalità dell’Universo attorno a noi.

Pensiamo alle basi antartiche, ottimi laboratori per studiare la sopravvivenza dell’uomo in condizioni di isolamento. In inverno, le basi sulla costa vedono i propri porti chiusi dal pack, mentre le regioni oscure dell’entroterra sono completamente isolate dal resto del mondo; questo isolamento è una delle condizioni più simili a quello che dovranno subire i primi “marziani“. Esso è talmente rigido che l’Antartide era, fino a poco fa, l’unico continente COVID-free.

Marte Perseverance
Figura 1: Panoramica di Marte [NASA]

Il supporto vitale

Il miglior esempio di supporto vitale costruito dall’uomo attualmente si tova sopra le nostre teste: nella Stazione Spaziale Internazionale è presente un sistema che controlla pressione, composizione atmosferica, temperatura ed altri parametri indispensabili alla sopravvivenza dell’uomo in ambienti ostili. Oltre a mantenere in vita gli astronauti durante il viaggio, ci sarà bisogno di un altro sistema per mantenere abitabile la prima base marziana.

A differenza del supporto vitale della ISS (Fig. 2) o di un futuro supporto vitale per una base lunare, il supporto vitale di una base marziana dovrà rendere la base virtualmente indipendente dal nostro pianeta. Uno dei metodi ipotizzati è stato un sistema di bioreattori basato sulla coltivazione di cianobatteri, ad esempio appartenenti al genere Anabaena.

Supporto vitale
Figura 2: Schema di un sistema di supporto vitale [NASA]

Anabaena sp.

Andiamo a conoscere i principali attori di questo spettacolo della biologia: i cianobatteri del genere Anabaena. Si tratta di cianobatteri filamentosi azotofissatori, in grado di fissare l’azoto atmosferico in ammoniaca grazie a forme cellulari chiamate eterocisti. Esse sono particolari cellule sprovviste di cloroplasti ma contenenti l’enzima nitrogenasi; dato che la nitrogenasi non riesce a fissare l’azoto in presenza di ossigeno, intervengono le eterocisti, delle forme cellulari atte all’accumulo di azoto e all’esclusione dell’ossigeno (Fig. 3). A fissazione avvenuta, l’ammoniaca può arrivare alle altre cellule del filamento.

Questo meccanismo è estremamente importante a livello ecologico, dato che è alla base di legami simbiontici che questo genere di cianobatteri è in grado di stringere. Tra gli organismi che sfruttano questa simbiosi per l’approvvigionamento di azoto ricordiamo le felci acquatiche del genere Azolla e alcune gimnosperme appartenenti all’ordine delle Cycadales.

Le condizioni marziane non permettono la crescita all’aperto di questo cianobatterio. La pressione atmosferica è dell’ordine degli hPa e la frazione di azoto sono entrambe troppo basse per permettere rispettivamente la sopravvivenza e la crescita di Anabaena. Come sfruttare questo organismo allora?

Anabaena
Figura 3: Anabaena sp., la freccia indica un’eterocisti [Wikipedia]

Il Bioreattore Atmos

Il bioreattore Atmos (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems) è un bioreattore a bassa pressione ideato per la coltivazione di Anabaena sfruttando solo risorse marziane (Fig. 4).

Una pressione di circa 100 hPa con 96% N2 e 4% CO2 risulta essere sufficiente per garantire la sopravvivenza e la proliferazione dei cianobatteri; in queste condizioni l’azoto rimane comunque il fattore limitante alla crescita batterica. Al tempo stesso, la bassa differenza di pressione fra interno ed esterno marziano permette l’impiego di materiali più leggeri per la costruzione.

I cianobatteri sono stati fatti crescere in questa miscela di gas (detta Mars-Derived Atmosphere, MDA-1) in un terreno BG-110; parte di essi è stata invece fatta crescere nello stesso terreno a cui è stato aggiunto un analogo della regolite marziana, chiamato Mars Global Simulant (MGS-1). Successivamente si è valutato come Escherichia coli possa impiegare lisati di Anabaena come nutrimento, osservando come un consumatore possa sfruttare il carbonio organicato sotto MDA-1.

I risultati sono stati entusiasmanti: Anabaena prospera nelle condizioni di MDA-1 con MGS-1, con minore distanza fra le eterocisti. Inoltre è anche impiegato efficientemente da E. coli come fonte di carbonio!

Ulteriori ricerche sono necessarie per migliorare i bioreattori, ma ogni passo ci avvicina maggiormente a rendere la fantascienza di “The Martian” parte della nostra scienza.

Schema supporto vitale per bioreattore
Figura. 4: Supporto vitale basato sui cianobatteri [Verseux, 2020]

Alfredo Marchiò

Fonti

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