Il processo biochimico attraverso il quale i cianobatteri acquisiscono sostanze nutritive dalle rocce nel deserto cileno di Atacama ha ispirato gli ingegneri a pensare a nuovi modi per costruire colonie per astronauti.
I ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell’UCI e del Dipartimento di Biologia della Johns Hopkins University hanno utilizzato la microscopia elettronica ad alta risoluzione e tecniche avanzate di imaging spettroscopico per ottenere una comprensione precisa di come i microrganismi modificano sia i minerali presenti in natura che le nanoceramiche prodotte sinteticamente.
Un fattore chiave, secondo gli scienziati, è che i cianobatteri producono biofilm che dissolvono particelle magnetiche di ossido di ferro all’interno delle rocce di gesso, trasformando successivamente la magnetite in ematite ossidata.
Le scoperte del team, che sono oggetto di un articolo pubblicato di recente sulla rivista Materials Today Bio, potrebbero fornire un percorso per nuovi metodi di estrazione biomimetica.
Gli autori hanno anche detto che vedono i risultati come un passo verso l’utilizzo di microrganismi nella stampa 3D su larga scala o nella produzione additiva su una scala utile nell’ingegneria civile in ambienti difficili, come quelli sulla Luna e su Marte.
“Attraverso un processo biologico che si è evoluto nel corso di milioni di anni, questi piccoli minatori scavano rocce, estraendo i minerali che sono essenziali per le funzioni fisiologiche, come la fotosintesi, che consentono la loro sopravvivenza”, ha detto l’autore corrispondente David Kisailus, professore UCI di scienza dei materiali e ingegneria.
“Gli esseri umani potrebbero usare un approccio biochimico simile per ottenere e manipolare i minerali che troviamo preziosi?”
Il deserto di Atacama è uno dei luoghi più aridi e inospitali della Terra, ma Chroococcidiopsis, un cianobatterio trovato in campioni di gesso raccolti lì dal team della Johns Hopkins, ha sviluppato “gli adattamenti più sorprendenti per sopravvivere al suo habitat roccioso”, ha detto il co-autore Jocelyne DiRuggiero, professore associato di biologia presso l’università di Baltimora.
“Alcuni di questi tratti includono la produzione di clorofilla che assorbe fotoni rossi e la capacità di estrarre acqua e ferro dai minerali circostanti”, ha aggiunto.
Utilizzando microscopi elettronici avanzati e strumenti spettroscopici, i ricercatori hanno trovato prove dei microbi nel gesso osservando come gli stessi minerali contenuti all’interno sono stati trasformati.
“Le cellule di cianobatteri hanno promosso la dissoluzione della magnetite e la solubilizzazione del ferro producendo abbondanti sostanze polimeriche extracellulari, portando alla dissoluzione e all’ossidazione della magnetite in ematite”, ha detto DiRuggiero.
“La produzione di siderofori [composti leganti il ferro generati da batteri e funghi] è stata migliorata in presenza di nanoparticelle di magnetite, suggerendo il loro uso da parte dei cianobatteri per acquisire ferro dalla magnetite”.
Kisailus ha detto che il modo in cui i microrganismi lavorano i metalli lo ha fatto pensare alle nostre pratiche minerarie e di produzione.
“Quando estraiamo minerali, spesso abbiamo bisogno di sottoporli a una lavorazione estrema per trasformarli in qualcosa di valore. Questa pratica può essere costosa dal punto di vista monetario e ambientale”.
Sostiene che potrebbe anche esserci un modo per convincere i microrganismi a impiegare capacità biochimiche simili per produrre un materiale ingegnerizzato su richiesta in luoghi meno convenienti.
“Io lo chiamo ‘formazione lunare’ invece di terraformazione”, ha detto Kisailus. “Se vuoi costruire qualcosa sulla luna, invece di affrontare le spese di farlo fare alle persone, potremmo avere sistemi robotici di stampa 3D e poi far sì che i microbi lo riconfigurino in qualcosa di valore. Questo potrebbe essere fatto senza mettere in pericolo vite umane”.
“Questo è il tema principale del mio laboratorio di Biomimetica e Materiali Nanostrutturati. Perché cercare di reinventare la ruota quando la natura l’ha perfezionata nel corso di centinaia di milioni di anni?” Kisailus ha detto. “Dobbiamo solo estrarre i segreti e i progetti per ciò che fa la natura e applicarli o adattarli a ciò di cui abbiamo bisogno”.
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