NASA, in collaborazione con altre importanti agenzie spaziali, mira a inviare le sue prime missioni umane su Marte nei primi anni 2030, 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 provenire da Marte, perché importarli dalla Terra sarebbe impraticabile a lungo termine. In Frontiere in microbiologia , gli scienziati mostrano per la prima volta che i cianobatteri di Anabaena possono essere coltivati ​​solo con gas locali, acqua, e altri nutrienti e a bassa pressione. Questo rende molto più facile sviluppare sistemi di supporto biologico sostenibili.

"Qui mostriamo che i cianobatteri possono utilizzare i gas disponibili nell'atmosfera marziana, a bassa pressione totale, come fonte di carbonio e azoto. In queste condizioni, i cianobatteri mantennero la loro capacità di crescere in acqua contenente solo polvere simile a Marte e potevano ancora essere usati per nutrire altri microbi. Questo potrebbe aiutare a rendere sostenibili le missioni a lungo termine su Marte, " dice l'autore principale Dr. Cyprien Verseux, un astrobiologo che dirige il Laboratorio di Microbiologia Spaziale Applicata presso il Centro di Tecnologia Spaziale Applicata e Microgravità (ZARM) dell'Università di Brema, Germania.

Atmosfera a bassa pressione

I cianobatteri sono stati a lungo presi di mira come candidati per guidare il supporto vitale biologico nelle missioni spaziali, poiché tutte le specie producono ossigeno attraverso la fotosintesi mentre alcune possono fissare l'azoto atmosferico in sostanze nutritive. Una difficoltà è che non possono crescere direttamente nell'atmosfera marziana, dove la pressione totale è inferiore all'1% di quella terrestre, da 6 a 11 hPa, troppo bassa per la presenza di 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 alla Terra sarebbe costoso:i gas dovrebbero essere importati, mentre il sistema culturale dovrebbe essere robusto, quindi, pesante da trasportare, per resistere alle differenze di pressione:"Pensa a una pentola a pressione, "Dice Verseux. Quindi i ricercatori hanno cercato una via di mezzo:un'atmosfera vicina a quella di Marte che permetta ai cianobatteri di crescere bene.

Per trovare condizioni atmosferiche adatte, Verseux et al. sviluppato un bioreattore chiamato Atmos (per "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 da "regolite", la polvere che copre pianeti e lune simili alla Terra. La regolite marziana ha dimostrato di essere ricca di nutrienti come fosforo, zolfo, e calcio.

Anabaena:cianobatteri versatili cresciuti su polvere simile a Marte

Atmos dispone di nove recipienti da 1 L in vetro e acciaio, ognuno 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 che fissano l'azoto chiamato Anabaena sp. PCC 7938, perché i test preliminari hanno dimostrato che sarebbe particolarmente efficace nell'utilizzare le risorse marziane e nell'aiutare a far crescere altri organismi. È stato dimostrato che specie strettamente imparentate sono commestibili, adatto per l'ingegneria genetica, e in grado di formare cellule dormienti specializzate per sopravvivere a condizioni difficili.

Verseux e i suoi colleghi hanno prima coltivato Anabaena per 10 giorni sotto una miscela di 96% di azoto e 4% di anidride carbonica a una pressione di 100 hPa, dieci volte inferiore a quella sulla Terra. I cianobatteri sono cresciuti così come sotto l'aria ambiente. Quindi hanno testato la combinazione dell'atmosfera modificata con la regolite. Perché nessuna regolite è mai stata portata da Marte, hanno invece usato un substrato sviluppato dalla University of Central Florida (chiamato "Mars Global Simulant") per creare un mezzo di crescita. Come controlli, Anabaena sono stati coltivati ​​in terreno standard, o all'aria ambiente o sotto la stessa atmosfera artificiale a bassa pressione.

I cianobatteri sono cresciuti bene in tutte le condizioni, anche in regolite sotto la miscela ricca di azoto e anidride carbonica a bassa pressione. Come previsto, sono cresciuti più velocemente su un terreno standard ottimizzato per i cianobatteri che su Mars Global Simulant, sotto entrambe le atmosfere. Ma questo è ancora un grande successo:mentre il supporto standard dovrebbe essere importato dalla Terra, la regolite è onnipresente su Marte. "Vogliamo utilizzare come nutrienti le risorse disponibili su Marte, e solo quelli, "dice Verseux.

La biomassa essiccata di Anabaena è stata macinata, sospeso in acqua sterile, filtrato, e utilizzato con successo come substrato per la crescita di batteri E. coli, dimostrando che gli zuccheri, aminoacidi, e altri nutrienti possono essere estratti da essi per nutrire altri batteri, che sono strumenti meno resistenti ma collaudati per la biotecnologia. Per esempio, E. coli potrebbe essere progettato più facilmente di Anabaena per produrre alcuni prodotti alimentari e medicinali su Marte che Anabaena non può.

I ricercatori concludono che la fissazione dell'azoto, i cianobatteri produttori di ossigeno possono essere coltivati ​​in modo efficiente su Marte a bassa pressione in condizioni controllate, con ingredienti esclusivamente locali.

Ulteriori perfezionamenti in cantiere

Questi risultati sono un progresso importante. Ma gli autori avvertono che sono necessari ulteriori studi:"Vogliamo passare da questa prova di concetto a un sistema che possa essere utilizzato su Marte in modo efficiente, " dice Verseux. Suggeriscono di mettere a punto la combinazione di pressione, diossido di carbonio, e azoto ottimali per la crescita, durante il test di altri generi di cianobatteri, forse geneticamente adattato alle missioni spaziali. È inoltre necessario progettare un sistema di coltivazione per Marte:

"Il nostro bioreattore, atmosfera, non è il sistema di coltivazione che useremmo su Marte:è pensato per testare, sulla terra, le condizioni che forniremmo lì. Ma i nostri risultati aiuteranno a guidare la progettazione di un sistema di coltivazione marziano. Per esempio, la pressione più bassa significa che possiamo sviluppare una struttura più leggera che è più facilmente trasportabile, in quanto non dovrà sopportare grandi differenze tra interno ed esterno, " conclude Verseux.