Funghi radiotrofi: organismi che trasformano le radiazioni in vita

Negli angoli più inospitali del nostro pianeta, dove la radiazione ionizzante trasforma l'ambiente in una landa desolata letale per la maggior parte delle forme di vita conosciute, esiste un gruppo straordinario di organismi che non solo riesce a sopravvivere, ma prospera in modo sorprendente.

I funghi radiotrofici rappresentano una delle scoperte più affascinanti della biologia moderna, sfidando le nostre concezioni tradizionali sui limiti della vita e aprendo nuove prospettive sulla sopravvivenza in condizioni estreme.

Addentrati nel mondo dei funghi radiotrofici, una frontiera promettente tra biologia, astrobiologia e tecnologia.

Cosa sono i funghi radiotrofici?

I funghi radiotrofici costituiscono un gruppo singolare di microrganismi che possiedono la straordinaria capacità di utilizzare la radiazione ionizzante come fonte di energia per la loro crescita e metabolismo. Questa caratteristica li distingue fondamentalmente da altri organismi, poiché possono sfruttare forme di energia che risultano letali per la grande maggioranza degli esseri viventi.

Per comprendere meglio questo fenomeno, è importante stabilire un'analogia chiara: così come le piante utilizzano l'energia solare attraverso la fotosintesi per produrre zuccheri e crescere, questi funghi hanno sviluppato meccanismi che permettono loro di catturare e convertire l'energia della radiazione gamma, beta e altre forme di radiazione ionizzante in energia utilizzabile per i loro processi vitali.

Tuttavia, è cruciale chiarire che questi organismi non "consumano" o "mangiano" radiazioni nel senso letterale, ma hanno evoluto sofisticati sistemi biochimici per trasformare questa energia in forme sfruttabili.

Resistenza vs. Radiotrofismo

È fondamentale distinguere tra i funghi veramente radiotrofici e quelli che semplicemente mostrano resistenza alla radiazione. Mentre molti microrganismi possono sviluppare tolleranza ad ambienti radioattivi mediante meccanismi di riparazione del DNA e altri sistemi di protezione (come i batteri Deinococcus radiodurans o Thermococcus gammatolerans), i funghi radiotrofici fanno un passo oltre: non solo resistono alla radiazione, ma la utilizzano attivamente come fonte di energia.

Questa distinzione è cruciale per comprendere la singolarità di questi organismi e il loro potenziale di applicazione in diverse aree.

Il ruolo della melanina nei funghi

Il meccanismo esatto mediante il quale questi funghi riescono in questa impresa non è ancora completamente compreso, ma la ricerca scientifica ha identificato un componente chiave in questo processo: la melanina. Questo pigmento scuro, conosciuto principalmente per il suo ruolo nella pigmentazione della pelle umana, sembra svolgere un ruolo fondamentale nella capacità radiotrofica di questi organismi.

L'ipotesi più accettata suggerisce che la melanina agisca come una sorta di "antenna molecolare" che può catturare la radiazione ionizzante e facilitare la sua conversione in energia chimica utilizzabile. L'evidenza sperimentale è convincente: mentre i funghi melanizzati sperimentano questa crescita accelerata sotto radiazione, i ceppi mutanti albini senza melanina non mostrano questo fenomeno, confermando il ruolo centrale di questo pigmento nel processo radiotrofico.

Come agisce la melanina nei funghi?

Dal punto di vista biochimico, il processo di radiosintesi nei funghi melanizzati implica una complessa interazione tra la melanina e gli elettroni liberati dalla radiazione ionizzante. La melanina, un polimero eterogeneo con strutture aromatiche coniugate, agisce come un semiconduttore biologico, capace di facilitare il trasporto di elettroni attraverso la sua rete molecolare.

Quando i funghi sono esposti alla radiazione ionizzante (principalmente gamma), questa energia eccita le molecole di melanina, alterando le loro proprietà elettroniche. Studi spettroscopici hanno mostrato che, dopo l'esposizione alla radiazione, la melanina incrementa la sua capacità di ridurre agenti come il ferricianuro, il che indica un aumento nell'attività redox del polimero. Questo effetto suggerisce che la melanina funziona come un sistema di cattura e trasferimento di elettroni, simile al ruolo che svolgono i centri di clorofilla nella fotosintesi vegetale.

Inoltre, si è osservato che i cambiamenti strutturali indotti dalla radiazione incrementano la densità di stati elettronici accessibili nella melanina, facilitando processi di donazione e accettazione di elettroni in vie metaboliche associate alla crescita cellulare. Questo fenomeno potrebbe essere associato alla generazione di ATP via vie fermentative o respiratorie non convenzionali, anche se i meccanismi metabolici esatti non sono ancora stati caratterizzati completamente.

Un'altra ipotesi complementare suggerisce che la melanina agisca come un antiossidante dinamico, neutralizzando specie reattive dell'ossigeno (ROS) generate dalla radiazione. Questa azione protettiva non solo previene il danno cellulare, ma potrebbe far parte del sistema generale di cattura energetica, mediante reazioni accoppiate alla generazione di potenziali elettrochimici sfruttabili dalla cellula.

Scoperta dei funghi radiotrofici

La prima evidenza di funghi radiotrofici è emersa nella zona di esclusione di Chernobyl, nell'area di 30 chilometri di raggio attorno alla centrale nucleare che ha subito l'incidente. Nel 1991, solo cinque anni dopo l'incidente, si osservò una muffa nera che cresceva dentro il reattore numero 4, nella zona di massima contaminazione. Questa scoperta iniziale rivelò un fenomeno sorprendente: non solo c'era vita nel luogo più radioattivo del pianeta, ma sembrava stare prosperando.

L'anno 2007 ha segnato un punto di svolta nella comprensione di questi organismi. Un team guidato da Ekaterina Dadachova all'Albert Einstein College of Medicine ha pubblicato uno studio che ha cambiato radicalmente la prospettiva scientifica. Hanno dimostrato sperimentalmente che funghi melanizzati come Cladosporium sphaerospermum, Cryptococcus neoformans e Wangiella dermatitidis non solo incrementavano la loro biomassa sotto radiazione intensa, ma assimilavano anche più carbonio.

Espansione nello spazio

L'interesse scientifico si è esteso all'ambito spaziale quando nel 2016, un team del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, guidato da Kasthuri Venkateswaran, ha portato otto specie di funghi raccolte a Chernobyl alla Stazione Spaziale Internazionale per studiare la loro risposta alla microgravità e radiazione spaziale.

Anche se non è stata pubblicata una lista completa delle otto specie, si sa che sono state selezionate per la loro capacità di sopravvivere in ambienti altamente radioattivi e per il loro potenziale di produrre composti con applicazioni farmaceutiche e agricole. I ricercatori cercavano di determinare se le condizioni estreme dello spazio potessero indurre questi funghi a produrre nuovi metaboliti secondari con proprietà bioattive.

Si sa che i funghi possono generare composti utili, come antibiotici e immunosoppressori, in risposta ad ambienti stressanti. Pertanto, lo spazio offre un ambiente unico per esplorare la produzione di nuovi composti che potrebbero avere applicazioni in medicina e agricoltura.

Applicazioni attuali e potenziale futuro dei funghi radiotrofici

Protezione radiologica nello spazio

I funghi radiotrofici, come Cladosporium sphaerospermum, hanno dimostrato la loro capacità di attenuare la radiazione. Esperimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale hanno rivelato che uno strato di soli 2 mm può ridurre fino al 2% la radiazione entrante. Si stima che un rivestimento di 21 cm offrirebbe una protezione efficace contro la radiazione marziana, il che potrebbe rivoluzionare la sicurezza nelle missioni spaziali di lunga durata.

Inoltre, si sta investigando la loro coltivazione diretta su tute, habitat o strutture spaziali, creando scudi biologici autoreplicanti e sostenibili.

Nuovi materiali radioresistenti

La melanina estratta da questi funghi viene incorporata in materiali convenzionali per migliorare la loro resistenza alla radiazione. L'Università Johns Hopkins ha testato plastiche con melanina sulla ISS, con applicazioni potenziali: dai tessili spaziali capaci di filtrare la radiazione solare e cosmica, ai materiali da costruzione con proprietà protettive migliorate.

Potrebbe anche essere utilizzata nell'elettronica, offrendo una schermatura efficace per componenti sensibili in contesti di alta radiazione.

Biorisanamento di zone contaminate

Grazie alla loro capacità di utilizzare la radiazione come fonte di energia, questi funghi potrebbero svolgere un ruolo chiave nella riabilitazione ambientale. Hanno il potenziale di accelerare la decontaminazione di suoli e acque, concentrando allo stesso tempo elementi radioattivi nella loro biomassa, facilitando la loro raccolta e gestione sicura.

Inoltre, potrebbero funzionare come barriere viventi, limitando la propagazione di contaminanti in ambienti colpiti dalla radiazione.

Biotecnologia e alimentazione spaziale

Per la loro notevole resistenza alla radiazione e la loro capacità di generare biomassa in condizioni estreme, questi funghi potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nei sistemi di supporto vitale per missioni spaziali.

Attualmente si sta investigando la loro applicazione in bioreattori che non solo producano cibo, ma offrano anche protezione radiologica.

Applicazioni mediche

La melanina fungina viene anche studiata nell'ambito della medicina nucleare per il suo potenziale come strumento terapeutico e protettivo. Si esplora il suo uso come base per radioprotettori topici destinati a persone esposte a radiazioni in ambienti lavorativi, così come per radiosensibilizzatori che potrebbero potenziare l'efficacia di certi trattamenti oncologici.

Limitazioni, rischi e sfide

Nonostante il loro potenziale, l'uso e lo studio dei funghi radiotrofici affrontano importanti limitazioni. In primo luogo, i meccanismi biochimici sottostanti non sono ancora completamente compresi, il che rende difficile il loro sfruttamento biotecnologico. Inoltre, la maggior parte degli studi è stata condotta in condizioni molto specifiche (ad esempio, ambienti ad alta radiazione come Chernobyl o stazioni spaziali), il che presenta sfide per replicare e scalare questi sistemi in altri contesti.

Esistono anche rischi etici e di biosicurezza, specialmente se si pianifica di utilizzare questi organismi in ambienti sensibili come lo spazio o impianti nucleari. È richiesta una valutazione rigorosa per evitare impatti ecologici indesiderati o il rilascio di organismi geneticamente modificati.

D'altra parte, anche se è stato dimostrato che alcuni funghi melanizzati sopravvivono e crescono in condizioni estreme, non è chiaro se questo adattamento implichi una vera conversione energetica utile per applicazioni pratiche. L'efficienza del processo, la sua scalabilità e la sua compatibilità con altri sistemi tecnologici rimangono grandi interrogativi.

In definitiva, lo studio dei funghi radiotrofici è ancora in una fase esplorativa. Anche se promettente, il loro sfruttamento per fini energetici, protettivi o costruttivi richiede più ricerca di base e applicata, così come una valutazione critica dei rischi e delle limitazioni coinvolte.

Riferimenti

• https://en.wikipedia.org/wiki/Radiotrophic_fungus
• https://www.sciencenews.org/article/dark-power-pigment-seems-put-radiation-good-use
• https://phys.org/news/2020-07-chernobyl-fungi-shield-astronauts.html
• https://mann.usc.edu/news/rocket-carries-chernobyl-fungi-to-the-international-space-station
• https://issnationallab.org/upward/pushing-research-to-new-heights-innovative-research-at-the-iss-rd-conference
• https://futuroprossimo.it/2020/07/la-muffa-del-reattore-di-chernobyl-testata-come-scudo-sulla-iss/
• https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0000457