I ricercatori del MIT collaboreranno con i colleghi dell'Università del Colorado a Boulder a un esperimento che sarà inviato alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) il 2 novembre. L'esperimento sta cercando modi per affrontare la formazione di biofilm sulle superfici all'interno la stazione spaziale. Queste comunità di batteri o funghi difficili da uccidere possono causare malfunzionamenti delle apparecchiature e far ammalare gli astronauti. Il MIT News ha chiesto al professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi e alla dottoranda Samantha McBride di descrivere gli esperimenti pianificati e i loro obiettivi.

D:Per cominciare, raccontarci il problema che questa ricerca si propone di affrontare.

Varanasi:i biofilm crescono sulle superfici delle stazioni spaziali, che inizialmente è stata una sorpresa per me. Perché dovrebbero crescere nello spazio? Ma è un problema che può mettere a repentaglio l'attrezzatura chiave:tute spaziali, unità di riciclaggio dell'acqua, radiatori, finestre di navigazione, e così via, e può anche portare alla malattia umana. Deve quindi essere compreso e caratterizzato, soprattutto per missioni spaziali di lunga durata.

In alcune delle prime missioni della stazione spaziale come Mir e Skylab, c'erano astronauti che si ammalavano nello spazio. Non so se possiamo dire con certezza che sia dovuto a questi biofilm, ma sappiamo che ci sono stati guasti alle apparecchiature a causa della crescita del biofilm, come valvole intasate.

In passato ci sono stati studi che mostrano che i biofilm in realtà crescono e si accumulano più nello spazio che sulla Terra, che è un po' sorprendente. Crescono più spessi; hanno forme diverse. L'obiettivo di questo progetto è studiare come crescono i biofilm nello spazio. Perché ottengono tutte queste diverse morfologie? Essenzialmente, è l'assenza di gravità e probabilmente altre forze trainanti, convezione per esempio.

Vogliamo anche pensare ad approcci di riparazione. Come potresti risolvere questo problema? Nella nostra attuale collaborazione con Luis Zea all'UC Boulder, stiamo osservando la crescita di biofilm su substrati ingegnerizzati in presenza e assenza di gravità. Realizziamo diverse superfici su cui far crescere questi biofilm, e applichiamo alcune delle nostre tecnologie sviluppate in questo laboratorio, comprese le superfici impregnate di liquido [LIS] e le superfici nanostrutturate superidrofobiche, e abbiamo osservato come crescono i biofilm su di essi. Abbiamo scoperto che dopo un anno di esperimenti, qui sulla Terra, le superfici LIS hanno funzionato davvero bene:non c'era crescita di biofilm, rispetto a molti altri substrati all'avanguardia.

D:Quindi cosa cercherai in questo nuovo esperimento da far volare sulla ISS?

McBride:Ci sono segnali che indicano che i batteri potrebbero effettivamente aumentare la loro virulenza nello spazio, e quindi gli astronauti hanno maggiori probabilità di ammalarsi. Questo è interessante perché di solito quando si pensa ai batteri, stai pensando a qualcosa di così piccolo che la gravità non dovrebbe svolgere un ruolo così importante.

Il gruppo della professoressa Cynthia Collin all'RPI [Rensselaer Polytechnic Institute] ha fatto un precedente esperimento sulla ISS che mostrava che quando si ha una gravità normale, i batteri sono in grado di muoversi e formare queste forme simili a funghi, contro in microgravità i batteri mobili formano questo tipo di biofilm a forma di baldacchino. Quindi in poche parole, non sono più così vincolati e possono iniziare a crescere verso l'esterno in questa insolita morfologia.

Il nostro lavoro attuale è una collaborazione con UC Boulder e Luis Zea come ricercatore principale. Quindi ora, invece di guardare solo come i batteri rispondono alla microgravità rispetto alla gravità sulla Terra, stiamo anche esaminando come crescono su diversi substrati ingegnerizzati. E anche, più fondamentalmente, possiamo vedere perché i biofilm dei batteri si formano nel modo in cui si formano sulla Terra, semplicemente togliendo quell'unica variabile di avere la gravità.

Ci sono due esperimenti diversi, uno con biofilm batterici e uno con biofilm fungini. Zea e il suo gruppo hanno coltivato questi organismi in un terreno di prova in presenza di quelle superfici, e poi caratterizzandoli per la massa del biofilm, lo spessore, morfologia, e poi l'espressione genica. Questi campioni verranno ora inviati alla stazione spaziale per vedere come crescono lì.

D:Quindi, in base ai test precedenti, cosa ti aspetti di vedere quando i campioni torneranno sulla Terra dopo due mesi?

Varanasi:Quello che abbiamo trovato finora è che, interessante, una grande quantità di biomassa cresce su superfici superidrofobiche, che di solito si pensa sia un'antivegetativa. In contrasto, sulle superfici impregnate di liquido, la tecnologia alla base di Liquiglide, sostanzialmente non c'era crescita di biomassa. Questo ha prodotto lo stesso risultato del controllo negativo, dove non c'erano batteri.

Abbiamo anche effettuato alcuni test di controllo per confermare che l'olio utilizzato sulle superfici impregnate di liquido non è biocida. Quindi non stiamo solo uccidendo i batteri, in realtà non aderiscono al substrato, e non crescono lì.

McBride:Per le superfici LIS, vedremo se i biofilm si formano su di loro o meno. Penso che entrambi i risultati sarebbero davvero interessanti. Se i biofilm crescono su queste superfici nello spazio, ma non per terra, Penso che questo ci dirà qualcosa di molto interessante sul comportamento di questi organismi. Ed ovviamente, se non si formano biofilm e le superfici ne impediscono la formazione come fanno a terra, allora va benissimo anche quello perché ora abbiamo un meccanismo per prevenire la formazione di biofilm su alcune apparecchiature della stazione spaziale.

Quindi saremmo felici di entrambi i risultati, ma se il LIS funziona bene come ha fatto a terra, Penso che avrà un enorme impatto sulle missioni future in termini di prevenzione dei biofilm e di non far ammalare le persone.

Fondamentalmente, da un punto di vista scientifico, vogliamo capire la crescita di questi film e capire tutto il biomeccanico, biofisico, e meccanismi biochimici alla base della crescita. Aggiungendo la morfologia superficiale, struttura, e altre proprietà come le superfici impregnate di liquido, potremmo assistere a nuovi fenomeni nella crescita e nell'evoluzione di questi film, e magari trovare una soluzione per risolvere il problema.

Varanasi:E poi questo può portare a progettare nuove attrezzature o anche tute spaziali che hanno queste caratteristiche. Ecco dove penso che vorremmo imparare da questo e poi proporre soluzioni.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.