Cladosporium sphaerospermum, il fungo “mangia radiazioni”

Circa 30 anni fa, nella zona di alienazione che dal 1986 circonda la centrale nucleare di Chernobyl, in un’area disabitata (dall’uomo) da decenni è stata fatta un’incredibile scoperta, che potrebbe influire su numerosi campi della scienza; è stata infatti rinvenuta una peculiare specie di fungo che possiede l’incredibile capacità di cibarsi non di composti radioattivi, ma della radiazione stessa, sfruttando il biopolimero melanina e la radiosintesi per trasformare questo trasferimento di particelle in pura energia chimica. Il fungo in questione è il Cladosporium sphaerospermum (Fig. 1) e la maggior parte degli esemplari trovati nelle regioni contaminate tende a crescere verso le fonti stesse delle radiazioni, normalmente avverse alla vita. Pertanto, la scoperta di questa stranezza della natura apre ad interessanti prospettive nell’ambito della corsa allo spazio e delle future missioni umane verso Marte e altri corpi celesti.

Cladosporium sphaerospermum
Figura 1 – Il fungo Cladosporium sphaerospermum [Fonte: ASM blog]

Caratteristiche ed ecologia

Cladosporium sphaerospermum è un fungo cosmopolita che si trova sia in città che in ambienti extraurbani, perché può sfruttare le correnti per spostarsi più rapidamente. Questo estremofilo prolifera soprattutto in ambienti ipersalini osmoticamente molto stressati, anche se sopporta una vasta gamma di concentrazioni di soluti (è un organismo alotollerante).

C. sphaerospermum presenta ife a parete spessa e di colore molto scuro, perciò questi miceti sono detti “funghi neri”. I conidiofori, lunghi fino a 150-300 μm e larghi 3,5-4,0 μm, assumono una particolare conformazione ad albero, caratteristica del genere. Un’altra particolarità è la produzione dei cosiddetti ramoconidi, che si trovano nei punti di giunzione di più catene di spore. C. sphaerospermum cresce a temperature che vanno dai -5 °C ai 35 °C ed è un invasore secondario del tessuto vegetale in decomposizione, soprattutto piante erbacee. Il micete è anche un noto allergene, anche se causa problemi soprattutto in caso di malattie respiratorie.

Filogenesi

DOMINIOEukaryota
REGNOFungi
DIVISIONEAscomycota
CLASSEDothideomycetes
ORDINECapnodiales
FAMIGLIACladosporiaceae
GENERECladosporium
SPECIEC. sphaerospermum
Inquadramento tassonomico

Genoma e metabolismo

Il sequenziamento del genoma di C. sphaerospermum è avvenuto nel 2012, utilizzando Illumina HiSeq 2000 e la strategia shotgun su una libreria con inserti di DNA da 500 bp. La dimensione del genoma è stimata in 31,92 Mb, con un totale di 10.020 geni. Il modello genetico previsto ha una frequenza esonica di 2,26 esoni per gene. In aggiunta, gli enzimi chiave tetraidrossinaftalene reduttasi, scitalone deidratasi, triidrossinaftalene reduttasi e laccasi sono presenti nelle sequenze del genoma, indicando la produzione di melanina attraverso la via di biosintesi della diidrossinaftalene. Questo importante metabolita secondario è utilizzato come protezione dall’irradiazione UV, dalle sostanze ossidanti e dalle infezioni ed è il fattore che rende possibile la strana dieta radioattiva del fungo. 

Nell’analisi del genoma sono stati anche identificati i geni associati a potenti allergeni umani, come l’enolasi, l’aldeide deidrogenasi e la mannitolo deidrogenasi; inoltre, sono stati rilevati diversi geni collegati alla resistenza ai farmaci antifungini fluconazolo, chinidina e fluorocitosina. Queste osservazioni offrono enormi opportunità per studiare i meccanismi di resistenza ai farmaci nelle specie Cladosporium.

Il metabolismo del fungo permette di estrarre l’energia dalla conversione di amido, cellulosa e saccarosio in alcol e anidride carbonica, ma sembra che C. sphaerospermum sia in grado di proliferare anche in ambienti poveri di sostanze nutritive, in quanto può usare il toluene come unica fonte di carbonio.

La melanina fungina

Le melanine (Fig. 2) sono pigmenti ad alto peso molecolare che svolgono numerose funzioni biologiche. Alcune specie fungine, dette appunto melanizzate, sintetizzano le melanine perché permettono la sopravvivenza in ambienti estremi (come, nel nostro caso, le pareti della centrale di Chernobyl). Le melanine sono molto antiche e abbondano nei fossili di funghi ancestrali; questo perché si pensa che in passato, sulla Terra, i livelli delle radiazioni naturali fossero molto più elevati rispetto ad oggi.

Struttura della melanina
Figura 2 – Struttura della melanina [Fonte: Pubchem]

La melanina fungina è concentrata nella parete cellulare, dove è assemblata in più strati concentrici costituiti da particelle di forma sferica strettamente ravvicinate. Quando queste molecole vengono isolate mediante digestione in acido concentrato tendono a lasciare i così detti “fantasmi” (Fig. 3), così chiamati perché mantengono la forma e le dimensioni della cellula originaria. La melanina agisce come un agente di trasferimento di elettroni nel meccanismo di ossidazione di NADH e riduzione del ferrocianuro e l’irradiazione del pigmento aumenta la velocità di questa reazione.

"fantasmi di melanina" di C. sphaerospermum e Cryptococcocus neoformans
Figura 3 – “fantasmi di melanina” di C. sphaerospermum e Cryptococcocus neoformans [Fonte: NCBI]

Interazione con le radiazioni

Gli esperimenti condotti sui campioni di Chernobyl indicano che il cambiamento nelle proprietà elettroniche della melanina induce la proliferazione fungina; infatti, dopo l’esposizione alle radiazioni, la struttura elettronica della melanina cambia e ciò altera la sua capacità di trasferire elettroni nella reazione di ossidazione/riduzione del NADH e del ferrocianuro. Le cellule fungine melanizzate esposte a livelli di radiazioni 500 volte superiori al normale sono cresciute molto più rapidamente dei funghi non melanizzati o delle cellule che hanno ricevuto delle dosi di radiazioni simili a quelle che si riscontrano in natura.

Potrebbe però presentarsi un problema: i radicali liberi nella melanina potrebbero interagire con gli elettroni ad alta energia della radiazione e danneggiare il DNA fungino. Questi elementi però non entrano nella cellula, in quanto il pigmento melanico si trova nella parete e nello spazio extracellulare e non all’interno. Pertanto è ormai certo che Cladosporium sphaerospermum possa catturare le radiazioni ionizzanti grazie alla melanina e utilizzarle per sintetizzare energia chimica, attraverso un cambiamento morfologico delle molecole di pigmento.

Applicazioni biotecnologiche

Veniamo ora al collegamento con lo spazio: uno dei problemi più grandi da affrontare per gli astronauti in previsione di un viaggio interplanetario è l’esposizione a un’alta dose di radiazioni cosmiche. Sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), un astronauta è parzialmente protetto dalle radiazioni dal campo magnetico del pianeta, ma non dalla sua atmosfera, ed è quindi esposto a circa 114 millisievert all’anno. Di conseguenza, durante una missione di un anno oltre il campo magnetico terrestre, un astronauta verrebbe sottoposto a 400 mSv. Dopo il disastro di Chernobyl, avvenuto la notte del 26 aprile 1986 in seguito all’esplosione del reattore numero 4 della centrale elettronucleare Vladimir Il’ič Lenin sita in Ucraina (allora parte dell’URSS), il livello di radiazioni nelle zone limitrofe all’impianto è aumentato estremamente rispetto al normale e ancora oggi può superare i 100mSv, quando durante un anno, in media, una persona sulla Terra è esposta a circa 6,2 mSv.

L’esperimento della NASA

In seguito agli studi sui funghi “mangia-radiazioni” ritrovati nei dintorni e all’interno della centrale di Chernobyl, la NASA ha condotto un esperimento in cui alcuni campioni di Cladosporium sphaerospermum sono stati trasportati sulla ISS per testare le loro speciali capacità in condizioni di microgravità. Nelle prime 24 ore dell’esperimento non c’è stata differenza nella riduzione delle radiazioni gamma tra il gruppo sperimentale e quello di controllo. Quando però i funghi hanno raggiunto la giusta maturazione si è visto che la quantità di radiazioni ionizzanti si era ridotta notevolmente nei campioni irradiati. 

I risultati degli esperimenti sono straordinari: è stato provato che uno strato fungino spesso 1,7 mm, durante un mese di permanenza nello spazio, riduce di almeno l’1,8% i livelli di radiazioni, con picchi del 5,4%. Quindi, in teoria, uno scudo costituito da C. sphaerospermum spesso 21 centimetri potrebbe annullare totalmente la dose annuale di radiazioni naturali presenti sulla superficie di Marte, schermando completamente un’eventuale base sul pianeta rosso.

Uno scudo a base di funghi radiotrofi, oltre ad auto-rigenerarsi, risolverebbe anche un altro importante problema, ossia il fatto che ogni carico da lanciare nello spazio costa migliaia di dollari, mentre utilizzando dei funghi si potrebbe coltivare la materia prima direttamente in orbita, oppure sul luogo di destinazione, facendo crescere il microrganismo nella polvere marziana o nella regolite lunare, l’ideale per un’eventuale missione di lunga durata, sebbene ci siano anche altri problemi da superare.

Conclusioni

Nel corso degli anni sono stati scoperti altri funghi melanizzati, come Wangiella dermatitidis e Cryptococcus neoformans, che aumentano in dimensioni e accumulano acetato più rapidamente se si trovano in un ambiente ricco di radiazioni, alterando rapidamente le proprietà chimiche della melanina come avviene nel C. sphaerospermum e certamente altre specie con caratteristiche simili verranno scoperte in futuro. Magari un giorno uno di questi piccoli tenaci organismi verrà finalmente selezionato e, se opportunamente trattato, porterà l’umanità a conquiste ben più grandi di lui.

Fonti

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