Articolo pubblicato il 17-10-2005
Maria Teresa Giardi & Dania Esposito
Numero 21 - Anno 2 17 Ottobre 2005
L'esperimento PHOTO nello spazio
Il satellite Foton, dell'agenzia spaziale Europea è stato recentemente messo in orbita intorno alla Terra, ad un'altezza di 300 Km per trasportare una serie di sofisticati esperimenti aventi lo scopo di studiare le risposte degli organismi biologici alle condizioni esistenti nello spazio. Su Foton era agganciato uno speciale contenitore di forma circolare - chiamato Biopan - che si è aperto quando il satellite ha raggiunto l'orbita prevista, in modo da esporre direttamente alla radiazione cosmica i biomateriali in esso alloggiati. Il rientro della navicella è avvenuto il 16 Giugno nel Kazachstan, dopo un viaggio iniziato il 31 Maggio.
L'esperimento italiano "Photo", condotto dal gruppo guidato dalla Dr Maria Teresa Giardi del CNR e formato da biologi, ingegneri e fisici, rappresenta uno degli esperimenti di punta. Un sostanziale contributo alla ricerca è dato da Dr Dania Esposito, Emanuela Pace, Cecilia Faraloni e Giuseppe Torzillo del CNR, esperti in crescita di organismi fotosintetici e dalla Dr Alba Zanini del INFN, esperta di radiazioni ionizzanti.
Qual è l'oggetto di questo studio interdisciplinare e perché i risultati dell'esperimento sono di cruciale importanza per il futuro dell'esplorazione spaziale?
L'esperimento ha lo scopo di analizzare la possibilità di far sopravvivere e sviluppare organismi fotosintetici ossigenici nello spazio, che possono essere piante superiori o microrganismi, quali alghe e cianobatteri. L'importanza dello studio è data dal fatto che si prospetta l'utilizzo di microrganismi in ambiente spaziale sia per la loro capacità di sviluppare ossigeno e di mantenere tramite il Fotosistema II una atmosfera respirabile per gli astronauti, sia perché possono costituire biomassa e risorse nutrizionali; un approccio recentemente supportato dall'ASI prevede di utilizzare tali organismi fotosintetici come "Biological Farm" per la produzione di sostanze antiossidanti ed anti-invecchiamento sia nello spazio che in applicazioni terrestri.
La principale difficoltà per la permanenza degli organismi biologici nello spazio (compreso l'uomo) è causata dalla presenza di radiazioni ionizzanti di energie ed intensità variabili; provengono sia dagli spazi interstellari (Raggi Cosmici Galattici -GCR-), sia dalla attività solare (Raggi Cosmici Solari -SCR-). Tali radiazioni sono complesse, difficili da misurare e solo parzialmente schermabili e possono provocare danni agli esseri umani e modificare la fisiologia degli organismi biologici più semplici.
In alto - L'esperimeto chiamato Photo1 è collocato in Biopan. In basso - L'esperimento chiamato Photo2 è collocato in Foton. Le due "facilities" spaziali Foton-Biopan sono collocate in testa al Soyuz per essere inviate nello spazio.
Il gruppo CNR, composto in prevalenza da giovani ed entusiasti ricercatori, ha osservato che le radiazioni spaziali, in opportune condizioni di luce, sono in grado di stimolare la fotosintesi e la sintesi di composti con attività antiossidante. Si vuole studiare la possibilità di promuovere la crescita di vegetali nello spazio, conoscenza particolarmente promettente in un futuro in cui dovesse essere necessario massimizzare lo sfruttamento di risorse ancora sconosciute. L'esperimento in corso, finanziato da ESA (Agenzia Spaziale Europea) e da ASI (Agenzia Spaziale Italiana), è molto più complesso di quelli realizzati in precedenza, che consistevano semplicemente nell'inviare organismi biologici nello spazio per analizzare, a volo compiuto, la loro performance. Quello che è stato mandato in orbita è composto da sensori sofisticati, quale ad esempio un biosensore ottico tecnicamente complesso, realizzato mediante interfaccia fra componenti elettronici e biomateriale. Tutto il gruppo di ricerca si è impegnato con molto entusiasmo nella realizzazione dell'esperimento, poiché è la prima volta che un numeroso gruppo italiano viene ospitato a bordo di satelliti ESA dedicati alla ricerca delle possibilità di sopravvivenza durante le missioni spaziali di lunga durata: oltre alla necessità di proteggere l'equipaggio dalla radiazione di origine cosmica, è necessario selezionare organismi radioresistenti, utili sia per produrre un'atmosfera respirabile sia per creare riserve di cibo.
Il team aveva già realizzato un primo sistema, formato da due strumenti indipendenti, montati a bordo di una navicella spaziale russa, lanciata in ottobre 2002 dalla base di Plesetsk: purtroppo, a causa di un difetto del razzo vettore Soyuz il lancio è fallito e tutta la strumentazione a bordo è andata distrutta. Questa ulteriore opportunità di volo è quindi estremamente importante.
Le alghe, modificate per resistere alle condizioni spaziali, cresciute in ISE-CNR, pronte per il volo.
Inoltre, poiché la ricerca in corso è molto promettente, oltre al volo che si è concluso recentemente, è già stato approvato da ESA un volo pianificato per il 2006, che prevede aggiornamenti e soluzioni bio-ingegneristiche più avanzate; inoltre dopo il 2006 opereranno sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) altri strumenti realizzati dal team per lo studio degli effetti fisiologici delle radiazioni ionizzanti e dell'assenza di gravità su microrganismi fotosintetici.
I risultati dell'esperimento sono in analisi sulla strumentazione di Foton e Biopan che è stata recuperata dopo l'atterraggio e trasportata alla sede dell'ESA ad ESTEC in Olanda e potranno contribuire a gettare le basi per la realizzazione di ciò che fino a ieri era fantascienza: l'esplorazione e la colonizzazione, da parte dell'uomo, dei pianeti del sistema solare.
Che cos'è il Fotosistema II?
Ma che cos'è il Fotosistema II, che per brevità chiameremo PSII? Si tratta di un complesso multienzimatico clorofilla-proteina (acqua-plastochinone ossido-riduttasi) presente nelle membrane tilacoidali di piante superiori e microrganismi come alghe e cianobatteri. Il PSII usa la luce per catalizzare una serie di reazioni molecolari che danno come risultati il trasporto di elettroni e la separazione dell'acqua in ossigeno molecolare e protoni. Queste reazioni avvengono su una scala volumetrica enorme in quanto controllano direttamente la produzione dell'ossigeno atmosferico ed indirettamente la produzione di quasi tutta la biomassa del nostro pianeta.
L'importanza del PSII per la vita biologica è quindi enorme; a dispetto di ciò, le sue proprietà catalitiche non sono state ancora riprodotte in laboratorio, né la sua chimica è stata ancora completamente compresa. Gli studi sul PSII sono importanti di per sé e per le applicazioni in agricoltura in quanto il sistema è facilmente danneggiabile sotto condizioni di stress ambientale.
Le ricadute scientifiche e tecnologiche a terra
Il team del CNR ha un approccio di ricerca moderno che comporta una costante interfaccia con il mondo industriale; gestisce varie ditte italiane, fra cui il Centro Carso di Trieste con responsabile della strumentazione Ing. Paolo Trampus, la Kayser-Italia di Livorno e la ditta DAS di robotica ed automazione con sede in Palombara Sabina.
La ricerca è svolta in più fasi; si inizia dall'analisi di organismi fotosintetici che sono stati modificati tramite mutagenesi a sito diretto a livello dell'apparato fotosintetico per permettere un maggiore recupero e vitalità nelle condizioni estreme dello spazio: gravità zero, escursioni termiche elevate, vuoto, radiazioni ionizzanti. I risultati di questa fase dovrebbero portare a definire tecniche di ottimizzazione dello sviluppo di ossigeno in condizioni spaziali tramite l'utilizzo di mutanti ossigenici. Una seconda fase, anch'essa basata sull'utilizzo dei mutanti ossigenici, riguarda la misura delle radiazioni ionizzanti il cui effetto è particolarmente critico per la salute degli astronauti; inoltre sui mutanti si ottimizza la produzione di sostanze con attività antiossidanti ed anti-aging utili per la nutrizione umana.
L'insieme di questi studi produrrà conoscenze importanti sull'evoluzione della fotosintesi per applicazioni spaziali ma anche darà lo spunto per la realizzazione di tecnologie innovative per applicazioni a terra in campo agroalimentare-ambientale e nella radiobiologia al servizio della salute pubblica. È quest'ultimo l'aspetto più interessante della ricerca: l'immediata ricaduta su tematiche terrestri. Il grande filone di applicazioni terrestri riguarda il monitoraggio degli inquinanti nei campi coltivati e nell'ambiente usando la sensibilità del PSII alle situazioni di stress. L'effetto sul PSII degli erbicidi, pesticidi o di altre sostanze chimiche composte è di inibire le reazioni molecolari e quindi l'emissione di elettroni. L'assenza di elettroni, nella loro qualità di portatori dell'informazione dal microrganismo al sistema elettronico di rivelazione, è misurabile anche con piccoli strumenti portatili. Ecco un sistema semplice, poco costoso e trasportabile per misurare la qualità del coltivato o verificare la presenza di sostanze pericolose nell'ambiente.
L'esperienza spaziale del gruppo italiano è molto importante e può rendere queste particolari proprietà del PSII ancora più appetibili tramite la specializzazione dei microrganismi mutati verso situazioni mirate: per esempio la produzione di sostanze con specifiche proprietà nutrizionali realizzata in Nutra-Snack, progetto coordinato dal team CNR, in collaborazione con la ditta Enervit di Milano attualmente approvato per il finanziamento dalla Comunità Europea.
Autorizzazione del Tribunale di Roma n 293/2003 del 7/07/2003 Giornale a periodicità Mensile - Pubblicato a Roma - V. A. De Viti de Marco, 50
Direttore Responsabile: Guido Donati
L'esperimento PHOTO nello spazio
