GEm PBR – un’esperienza interdisciplinare al servizio della ricerca medica e dell’esplorazione spaziale.

Circa un anno e mezzo fa abbiamo deciso di partecipare al concorso "ISS - Spazio al tuo futuro" indetto da Aeronautica Militare e MIUR in collaborazione con AIS e ESA.

L'obbiettivo del progetto era quello di proporre un'idea innovativa per la ricerca scientifica sulla stazione spaziale internazionale, così, essendo ragazzi di un liceo scientifico con la passione per la microbiologia, la fisica e lo spazio, ci siamo messi alla prova con lo scopo di rendere la vita in orbita ancora più indipendente dalla nostra terra, nell'ottica di futuri viaggi spaziali a lungo termine (ad esempio verso Marte).

Noi esseri umani non siamo stati "progettati" per lo spazio: siamo parte di una complessa biosfera da cui siamo completamente dipendenti, da essa reperiamo l'aria che respiriamo, l'acqua, il cibo con cui ci nutriamo. Fino ad ora l'unico modo per allontanarci dal pianeta ed andare in orbita per alcuni mesi è stato quello di portarci dietro "un pranzo al sacco", i cosiddetti rifornimenti della stazione spaziale internazionale che sono diventati ormai una routine per i voli mensili della Soyuz.

Per compiere viaggi a lungo termine a grandi distanze dal nostro pianeta è fondamentale capire come diventare  più indipendenti, andando anche a ricreare un ecosistema artificiale in orbita in grado di fornire al cosmonauta aria pulita e cibo salutare riciclando i suoi stessi prodotti biologici di scarto.

Dopo molti studi abbiamo optato per un apparecchio dedicato alla ricerca scientifica per lo studio e la coltivazione del Cianobatterio estremofilo Arthospira Platensis, un microorganismo già molto famoso sulla terra come integratore alimentare sotto il nome di Spirulina. Ciò che lo rende un buon candidato per essere studiato come alimento in orbita non sono solamente le sue incredibili caratteristiche nutrizionali, è infatti un alimento ricco di vitamine, di antiossidanti e di tutti gli amminoacidi essenziali di cui ha bisogno l'uomo, ma è anche un organismo molto resistente, sopravvive in condizioni estreme e tollera abbastanza bene le radiazioni ionizzanti che sono naturalmente presenti là dove il campo magnetico terrestre non ci protegge da tutte quelle onde elettromagnetiche che attraversano l'universo.

Nonostante le sue caratteristiche, permettere lo studio e la sopravvivenza nello spazio di questo microorganismo non è semplice: le radiazioni ionizzanti, l'assenza di gravità e i problemi di sicurezza (bio-contenimento), nonché la necessità di un continuo monitoraggio, rendono la coltivazione di questo cianobatterio una vera e propria sfida, così abbiamo deciso di progettare una macchina completamente automatizzata in grado di coltivarlo e adatta a compiere esperimenti scientifici in orbita minimizzando l'intervento dell'uomo: il GEm PBR (Gravity Emulator Photo Bio Reactor), un fotobioreattore per la coltivazione e lo studio di cianobatteri nello spazio.

Il primo passo è stato quello di trovare soluzioni pratiche a necessità primarie quali la respirazione cellulare: in assenza di gravità gli scambi gassosi all'interno del sito di cultura non avvengono, il cianobatterio morirebbe soffocato, così abbiamo progettato una centrifuga che, grazie ad un sistema pneumatico a pompa, permette la sua sopravvivenza simulando l'effetto della forza gravitazionale. I passaggi successivi sono stati quelli di costruire una rete di sensori e attuatori connessi ad un microprocessore da prototipazione e controllati da un software di nostra ideazione che permette il costante monitoraggio dei ceppi e la variazione dei parametri ambientali con lo scopo di compiere esperimenti scientifici.

Al liceo scientifico tradizionale non si studiano elettrotecnica, meccanica e informatica, e si studiano solo in modo marginale le tecniche di biotecnologia e la biologia molecolare, così abbiamo seguito un processo di "learn by doing": abbiamo superato ogni ostacolo acquisendo competenze direttamente sul campo, sperimentando e imparando a gestire sensori complessi e programmando con un linguaggio di programmazione i frammenti di quello che pochi mesi dopo sarebbe diventato un software più completo e in grado di compiere attività di ricerca autonomamente, eventualmente indirizzato da laboratori sulla terra in remoto.

La rilevazione di alcuni parametri, come la curva di crescita del cianobatterio, con la quale possiamo monitorare la sua risposta allo stress della vita nello spazio, richiedevano l'utilizzo di sensori che non abbiamo trovato sul mercato, così abbiamo anche ideato e costruito un nuovo sensore di densità ottica adatto allo scopo.

Trovare tutte le componenti sul mercato non è stato facile, molte di esse sono principalmente dedicate ad applicazioni molto diverse e specifiche, abbiamo quindi dovuto lavorare per adattarli e raggiungere dei compromessi. Nonostante questo il nostro GEm PBR si è rivelato “ economicamente sostenibile”, il nostro investimento ha superato di poco i 300 euro.

Durante la progettazione del GEm PBR abbiamo continuato a compiere ricerche sul cianobatterio: dovevamo conoscere meglio le condizioni ideali per migliorarne la produzione e calibrare gli attuatori, come l'impianto di illuminazione Led a multifrequenza, o la composizione chimica dei nutrienti disciolti nei siti di coltura. Sia a livello di laboratorio che a livello teorico il supporto del CUSMiBio dell'Università degli studi di Milano è stato per noi fondamentale, ad esso ci siamo appoggiati per conservare a -80° i campioni di Spirulina che eravamo riusciti ad ottenere con molte difficoltà, ma grazie a loro siamo riusciti anche ad avere tutti gli articoli scientifici che ci servivano e abbiamo definito insieme dei protocolli sperimentali che possono essere messi in atto grazie al nostro fotobioreattore, in particolare con il sensore di densità ottica.

Queste ricerche comprendono lo studio della trasformazione genetica dei ceppi cianobatterici. L'esposizione a forti radiazioni ionizzanti naturalmente presenti in orbita si suppone che possa ottimizzare la produzione cellulare di alcuni importanti antiossidanti estremamente utili per l'uomo, rendendo tutto questo molto interessante per eventuali applicazioni in campo medico. Di recente è stato scoperto che mutazioni di un certo gene, coinvolto nella produzione di enzimi antiossidanti, sono direttamente correlate all'insorgenza ereditaria della Sclerosi Laterale Amiotrofica. La ricerca sulle mutazioni di questo gene, che potremmo eseguire col GEm PBR in ambiente di microgravità e fuori parzialmente dalla protezione offerta dal campo magnetico terrestre, potrebbe quindi portarci a maggiori conoscenze di quelle che potrebbero essere le cause di terribili malattie ereditarie e favorirne l’identificazione di cure.

L'idea e la realizzazione del GEm PBR, che prevede l'applicazione dell'automazione/controllo a nuovi campi, ci ha portato a vincere nell'estate 2017 il secondo posto all' "IDEAS 4 AUTOMATIC AWARD", un contest di idee innovative in realtà rivolto a studenti universitari, in occasione dell'AUTOMATION AND INSTRUMENTATION SUMMIT di Belgioioso, un evento internazionale dove abbiamo avuto l'occasione conoscere grandi e medie aziende internazionali che si occupano di automazione e controllo.

In ottobre si è saputo chi sono i vincitori definitivi del concorso " ISS – Innovatio Scientia Sapientia" dell’Aeronautica e MIUR e con nostra grande soddisfazione ci è stato riconosciuto il primo premio assoluto. Questi successi per noi non sono certamente un punto di arrivo, li vediamo invece come sproni alla continuazione di un nuovo percorso di miglioramento e di accrescimento. Il nostro prototipo potrebbe essere infatti ingegnerizzato da aziende con un solido "know-how" nel settore aerospaziale per essere mandato sulla ISS.

Nei prossimi mesi ci aspetta un progressivo studio per il miglioramento del GEm PBR, che, essendo stato realizzato in ambiente casalingo con strumenti e materiali di uso comune e dai costi ridotti, non potrebbe essere utilizzato così com'è: la stazione spaziale internazionale non può ospitare macchinari ingombranti, delicati o non sicuri. Crediamo sia possibile ridurre le dimensioni del GEm PBR di oltre il 60%, modificando anche i materiali utilizzati, che potrebbero essere sostituiti con altri più durevoli e affidabili.

Vorremmo che la nostra esperienza non sia soltanto una "bella storia da ricordare", ma un riferimento per tutti i ragazzi e le ragazze interessati nelle materie scientifiche che vogliono mettersi in gioco e intraprendere lo sviluppo di idee innovative. Se un giorno il nostro progetto andrà davvero nello spazio ne saremo felicissimi, ma il tempo che abbiamo dedicato a questo progetto, inserito pienamente nelle attività di alternanza scuola-lavoro (ASL) a cui tutti dobbiamo comunque partecipare, non è stato solo fine a se stesso: abbiamo acquisito molte interessanti competenze di diverse discipline che mai saremmo riusciti a coltivare in altro modo ed esse non riguardano soltanto l'ambito scientifico: conoscenze di microbiologia, di informatica, di elettrotecnica, meccanica… ma anche la capacità di lavorare in gruppo, di parlare in pubblico (talvolta in lingua inglese come successo alla presentazione del concorso di Luglio). E, non ultimo, l’esperienza ci ha insegnato come non mollare anche quando tutto sembra non andare per il verso giusto.

In molti sottolineano gli aspetti problematici della scuola italiana, si tende sempre a lamentarsi di ciò che non funziona, ma questa esperienza ci ha insegnato che se ci si rimbocca le maniche la scuola è fatta anche di questi piccoli e grandi successi e la collaborazione con le università e gli enti statali non manca: se si chiede e si cerca collaborazione, la si trova.