La Scienza di Samantha: ESA-Biofilms

I campioni per l'esperimento Biofilms sono pronti per essere imbarcati sul cargo Dragon. Credits: DLR

L’esperimento Biofilm Inhibition On Flight Equipment and On Board the ISS Using Microbiologically Lethal Metal Surfaces (ESA-Biofilms) studia i processi di formazione dei biofilm batterici e le proprietà antimicrobiche di differenti superfici metalliche, nelle condizioni di gravità alterata tipiche del volo spaziale. Il suo scopo, quindi, è quello di fornire ulteriori informazioni per lo sviluppo di superfici con proprietà antimicrobiche da applicare nel campo del volo spaziale. Nella fattispecie, vengono comparate le modalità di crescita dei biofilm in differenti condizioni di gravità in un ambiente liquido, su superfici di rame o delle sue leghe inibenti/antimicrobiche e non inibenti/inerti, con e senza funzionalizzazione superficiale.

I biofilm e il volo spaziale

Per biofilm, o biopellicola, si intende quella sottile aggregazione di microorganismi adesa a un supporto solido inerte o organico, caratterizzata dalla formazione spontanea di una sostanza liquida adesiva e protettiva. Nello specifico, i biofilm sono delle colonie batteriche incorporate in una matrice viscida autoprodotta, composta principalmente da polisaccaridi, proteine e lipidi. Un esempio comune di biofilm è la placca dentale. Il metallo impiegato per questa ricerca è il rame e le sue leghe, con e senza trattamento superficiale laser.

I biofilm microbici destano preoccupazione durante i voli spaziali, perché possono danneggiare gli equipaggiamenti tramite la biodegradazione e le incrostazioni organiche, sono molto resistenti ai detergenti e possono ospitare microorganismi patogeni i quali possono causare infezioni agli astronauti. Le superfici antimicrobiche metalliche realizzate con il rame possono inibire la crescita microbica, prevenendo a formazione di biofilm.

Una delle unità dell’esperimento Biofilms dell’ESA, contenente l’hardware realizzato da Kayser Italia. Credits: ESA/DLR

Il team

La ricerca ESA-Biofilms è gestita da un team di scienziati dell’Institute of Aerospace Medicine dell’agenzia spaziale tedesca (DLR) di Colonia, Germania, dell’Università del Saarland di Saarbrücken, Germania, del Belgian Nuclear Research Centre di Mol, Belgio e dell’Ames Research Center della NASA di Moffett Field, California, USA.

L’hardware è stato sviluppato dalla Kayser Italia di Livorno, dall’Università del Saarland e dall’Institute of Aerospace Medicine della DLR.

L’intero progetto è finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea.

Applicazioni

Come è evidente, i risultati di questa ricerca sono a diretto beneficio della futura esplorazione spaziale e permetteranno agli ingegneri la selezione dei migliori materiali antimicrobici in supporto alle attività degli astronauti e a quelle robotiche.

I metalli antimicrobici come l’argento, il rame e le loro leghe, sono attualmente già soggetto di ricerche per varie applicazioni sulla Terra nel campo della salute, nell’industria alimentare, nell’industria navale e negli ambienti marini per evitare, per esempio, le incrostazioni da alghe e molluschi, nella cosmetica e in altri settori.

Studiare l’influenza della gravità sulle superfici funzionalizzate è quindi d’aiuto anche nello sviluppo di superfici antimicrobiche più efficienti per le applicazioni terrestri come per esempio le pulsantiere degli ascensori, le maniglie e gli appigli dei mezzi pubblici, le attrezzature sportive nelle palestre, ecc.

Descrizione

Vengono prese in considerazione tre differenti specie batteriche: Staphylococcus capitis, Acinetobacter radioresistens e Cupriacidus metalliduran, e vengono testate nove differenti superfici metalliche: acciaio inossidabile, rame e ottone entrambi con una superficie liscia, con una lavorazione laser a traccia larga e con una lavorazione laser a traccia stretta.

I biofilm microbici vengono fatti crescere sulla Stazione a tre diversi livelli di gravità; 1g (riferimento); microgravità (condizioni presenti sull’ISS) e 0,4g (approssimazione della gravità marziana).

Il primo gruppo di campioni dell’esperimento è stato studiato durante la missione ALPHA di Thomas Pesquet nel 2021, arrivando a bordo della ISS a fine agosto e tornando a terra a inizio ottobre con il cargo Dragon CRS-2 SpX-23 di SpaceX.

Il secondo gruppo di campioni è stato lanciato con il cargo Dragon CRS-2 SpX-25 di SpaceX il 15 luglio 2022 con un vettore Falcon 9 ed è stato installato da Samantha Cristoforetti nell’incubatore Kubik una volta raggiunta la ISS. Le pre-colture batteriche sono state riattivate al momento opportuno in orbita, tramite l’aggiunta dello specifico terreno di coltura e di ossigeno. Una volta riattivati, i batteri crescono e formano biofilm su di una serie di superfici metalliche con o senza il trattamento laser superficiale.

Ciascuna piastra metallica inserita nelle colture misura 25 × 10 × 1 mm e la crescita batterica avviene solamente da un lato. Per ogni metallo preso in considerazione, sono state realizzate tre differenti tipologie di marcatura superficiale laser: Type 1, Type 2a e Type 2b. Type 1 corrisponde a una superficie liscia, mentre le Type 2a e 2b hanno delle scanalature con delle periodicità differenti. Si presume che la proliferazione dei biofilm dipenda fortemente dalle proprietà dei materiali e dal livello di gravità applicato.

Al termine del periodo di incubazione, i biofilm vengono trattati con un fissativo per bloccarne la crescita al fine di poter essere rispediti sulla Terra per le opportune analisi. Samantha Cristoforetti li ha estratti dal Kubik il 02 agosto 2022 e li ha impacchettati in preparazione del rientro di SpX-25, che è tornato sulla Terra il 20 agosto successivo.

L’incubatore Kubik

Dei contenitori simili alle piastre di Petri normalmente in uso nei laboratori microbiologici, con all’interno i campioni da testare, vengono inserite nel laboratorio Kubik, che è un dispositivo a forma di cubo il cui lato misura 40 cm, che dal 2004 è utilizzato per condurre degli specifici esperimenti a bordo della Stazione.

Samantha Cristoforetti alle prese con l’esperimento Biofilms e l’incubatore Kubik. Credits: ESA/NASA/Flickr

Kubik è un piccolo incubatore-centrifuga, a temperatura controllata dal volume interno di circa 9 litri costruito per l’Agenzia Spaziale Europea da Kayser Italia di Livorno e installato dal 2008 permanentemente nel modulo laboratorio europeo Columbus. Esso offre un intervallo di temperature che va dai 6 ai 38 °C, può accomodare fino a 32 contenitori di esperimenti standard e la sua centrifuga regolabile può fornire livelli di gravità che vanno da 0,2g a 2g. Nel 2019 Kubik è stato migliorato con l’aggiunta della capacità di comunicare dati e di ricevere comandi.

Disinstallazione dell’esperimento Biofilms da Kubik. Credits: ESA

Fonti: NASA, ESA, DLR

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Luca Frigerio

Impiegato nel campo delle materie plastiche e da sempre appassionato di spazio, basket e birra artigianale. E' iscritto a forumastronautico.it dal Novembre 2005 e da diversi anni sfoga parte della sua passione scrivendo per astronautinews.it. E' socio dell'Associazione Italiana per l'Astronautica e lo Spazio (ISAA)