Bioreattore Atmos (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems). Crediti: Zarm | Center Of Applied Space Technology And Microgravity
L’obiettivo della Nasa – in collaborazione con altre importanti agenzie spaziali – è quello di inviare le sue prime missioni umane su Marte all’inizio del prossimo decennio, mentre aziende come SpaceX potrebbero farlo anche prima. Gli astronauti su Marte avranno bisogno di ossigeno, acqua, cibo e altri materiali di consumo. Questi dovranno necessariamente provenire da Marte stesso, perché importarli dalla Terra sarebbe impraticabile a lungo termine. In un articolo pubblicato oggi su Frontiers in Microbiology, gli scienziati hanno mostrato per la prima volta che i cianobatteri Anabaena – noti per la loro attività azotofissatrice – possono essere coltivati, a bassa pressione, solo con gas locali, acqua e altri nutrienti. Ciò rende molto più facile sviluppare sistemi di supporto alla vita biologica sostenibili.
«Qui mostriamo che i cianobatteri possono utilizzare i gas disponibili nell’atmosfera marziana, a bassa pressione, come loro sorgente di carbonio e azoto. In queste condizioni, i cianobatteri hanno mantenuto la loro capacità di crescere in acqua contenente solo polvere simile a quella marziana e potrebbero essere utilizzati per nutrire altri microbi. Ciò potrebbe contribuire a rendere sostenibili le missioni a lungo termine su Marte», afferma il primo autore Cyprien Verseux, un astrobiologo che dirige il Laboratory of Applied Space Microbiology al Center of Applied Space Technology and Microgravity (Zarm) dell’Università di Brema, in Germania.
I cianobatteri sono stati a lungo indicati come candidati per veicolare il supporto biologico alla vita nelle missioni spaziali, poiché tutte le specie producono ossigeno attraverso la fotosintesi mentre alcune possono fissare l’azoto atmosferico in nutrienti. Una difficoltà riscontrata è che non possono crescere direttamente nell’atmosfera marziana, dove la pressione totale è inferiore all’1 per cento di quella terrestre – da 6 a 11 hPa, troppo bassa per avere acqua liquida – mentre la pressione parziale dell’azoto gassoso – da 0.2 a 0.3 hPa – è troppo bassa per il loro metabolismo. Ma ricreare un’atmosfera simile a quella sulla Terra sarebbe troppo costoso: i gas dovrebbero essere importati, mentre il sistema di coltura dovrebbe essere molto robusto (quindi pesante da trasportare) per resistere alle differenze di pressione. Pertanto, i ricercatori hanno cercato una via di mezzo: un’atmosfera vicina a quella di Marte che permetta ai cianobatteri di crescere bene.
Recipiente contenente un’atmosfera simile a quella di Marte per la crescita di cianobatteri all’interno di Atmos. Crediti: Zarm | Center Of Applied Space Technology And Microgravity
Per trovare condizioni atmosferiche adeguate, i ricercatori hanno sviluppato un bioreattore chiamato Atmos (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems) in cui i cianobatteri possono essere coltivati in atmosfere artificiali a bassa pressione. Qualsiasi input deve provenire dal Pianeta rosso stesso: a parte azoto e anidride carbonica, gas abbondanti nell’atmosfera marziana, e acqua che potrebbe essere estratta dal ghiaccio, i nutrienti dovrebbero provenire dalla regolite, la polvere che ricopre lune e pianeti. In particolare, la regolite marziana si è dimostrata essere ricca di sostanze nutritive come fosforo, zolfo e calcio.
Atmos dispone di nove contenitori in vetro e acciaio da un litro, ciascuno dei quali è sterile, riscaldato, a pressione controllata e monitorato digitalmente, mentre le colture all’interno vengono continuamente mescolate. Gli autori hanno scelto un ceppo di cianobatteri fissatori di azoto chiamato Anabaena sp. Pcc 7938, perché i test preliminari hanno dimostrato che sarebbero particolarmente efficienti nell’utilizzare le risorse marziane e nell’aiutare a far crescere altri organismi. Inoltre, è stato dimostrato che specie strettamente imparentate sono commestibili, adatte all’ingegneria genetica e in grado di formare cellule dormienti specializzate per sopravvivere a condizioni difficili.
Verseux e colleghi hanno coltivato i cianobatteri Anabaena per dieci giorni in una miscela con il 96 per cento di azoto e il 4 per cento di anidride carbonica, a una pressione di 100 hPa, dieci volte inferiore rispetto alla Terra. I cianobatteri sono cresciuti come se fossero in condizioni ambientali normali. Poi hanno testato la combinazione dell’atmosfera modificata con la regolite. Poiché non si hanno campioni di regolite marziana, hanno utilizzato un substrato sviluppato dall’Università della Florida Centrale (chiamato Mars Global Simulant) per creare un mezzo di crescita. I cianobatteri Anabaena sono stati coltivati in un terreno standard, all’aria ambiente o nella stessa atmosfera artificiale a bassa pressione.
I cianobatteri sono cresciuti bene in tutte le condizioni, inclusa la regolite nella miscela ricca di azoto e anidride carbonica a bassa pressione. Come previsto, sono cresciuti più velocemente nel mezzo standard ottimizzato per cianobatteri che sul Mars Global Simulant, in entrambe le atmosfere. Ma mentre il mezzo standard dovrebbe essere importato dalla Terra, la regolite è onnipresente su Marte.
La biomassa essiccata di Anabaena è stata macinata, sospesa in acqua sterile, filtrata e utilizzata con successo come substrato per la crescita di batteri E. coli, dimostrando che gli zuccheri, gli amminoacidi e altri nutrienti possono essere estratti da essi per nutrire altri batteri, che sono meno robusti ma collaudati per la biotecnologia. Ad esempio, E. coli potrebbe essere “ingegnerizzato” più facilmente di Anabaena per produrre alcuni prodotti alimentari e medicinali su Marte.
Con questo studio, i ricercatori hanno dimostrato 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.
Schema di Atmos. Crediti: Zarm | Center of Applied Space Technology and Microgravity
Questi risultati costituiscono un importante progresso. Tuttavia, gli autori avvertono che sono necessari ulteriori studi. «Vogliamo passare da questo proof-of-concept a un sistema che può essere utilizzato su Marte in modo efficiente», spiega Verseux. Suggeriscono di mettere a punto la combinazione ottimale per la crescita in termini di pressione, anidride carbonica e azoto, mentre testano altri generi di cianobatteri, forse geneticamente adattati per le missioni spaziali.
Inoltre, deve essere progettato anche un sistema di coltivazione adatto a Marte. «Il nostro bioreattore, Atmos, non è il sistema di coltivazione che useremmo su Marte: ha lo scopo di testare, sulla Terra, le condizioni che avremmo lì. I nostri risultati aiuteranno a guidare la progettazione di un sistema di coltivazione adatto al pianeta Marte. Ad esempio, la pressione più bassa implica che possiamo sviluppare una struttura più leggera che sia più facilmente trasportabile, poiché non dovrà sopportare grandi differenze tra interno ed esterno», conclude Verseux.
Per saperne di più:
- Leggi su Frontiers in Microbiology l’articolo “A Low-Pressure, N2/CO2 Atmosphere Is Suitable for Cyanobacterium-Based Life-Support Systems on Mars” di Cyprien Verseux, Christiane Heinicke, Tiago P. Ramalho, Jonathan Determann, Malte Duckhorn, Michael Smagin e Marc Avila