Le piante: una fonte pulita di energia elettrica

La ricerca di fonti di energia pulita è una delle grandi scommesse del nostro tempo. Le conseguenze dell’uso dei combustibili fossili, prima fra tutte il cambiamento climatico, ci impongono di intraprendere strade diverse e spesso inimmaginabili fino a pochi anni fa. E come sempre quando siamo a corto di idee, ecco che la natura, con i suoi straordinari ed ingegnosi meccanismi, giunge in nostro soccorso.

Una tipica foglia, la sede della fotosintesi (By Jon Sullivan – PdPhoto, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18858)

La più importante fonte di energia del nostro pianeta è il Sole, ma tra gli esseri viventi c’è chi ha imparato ad utilizzarlo molto meglio di noi. Le piante sono veri e propri campioni nella trasformazione dell’energia solare, il “motore” di un processo chiamato fotosintesi clorofilliana che converte l’anidride carbonica e l’acqua in zuccheri ed ossigeno. L’efficienza di questa trasformazione, dopo milioni di anni di evoluzione, si avvicina al 100%, mentre i nostri pannelli solari, per fare un paragone, operano con un’efficienza compresa tra il 12% e il 17%: in altri termini, la pianta trasforma quasi tutta la radiazione solare che assorbe in energia chimica, noi con le nostre tecnologie riusciamo ad utilizzarne solo una minima frazione.

Diversi gruppi di ricerca stanno studiando una strategia per ottenere elettricità dai vegetali. La corrente elettrica viene comunemente definita come un moto ordinato di cariche elettriche. Se vi state chiedendo perché cercarla proprio in una pianta, la risposta è semplice: perché è già lì! Durante le reazioni della fotosintesi le molecole d’acqua vengono “spezzate” liberando elettroni, ossia cariche negative. Questi ultimi sono trasferiti lungo una catena di trasportatori proteici e temporaneamente immagazzinati nella molecola NADP, così da essere utilizzati in una seconda fase alla sintesi del glucosio.

Schema della fotosintesi, detto “schema a Z” (By w:User:Bensaccount – http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Z-scheme.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3461098
Cloroplasti al microscopio (By Kristian Peters — Fabelfroh – Self-photographed, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1350193)

Ciò che un team di ricercatori della University of Georgia è riuscito a fare è stato interrompere la fotosintesi e catturare questi preziosi elettroni, prima che la pianta potesse utilizzarli per generare gli zuccheri. Per raggiungere lo scopo sono stati isolati i tilacoidi, sistemi di membrane appiattite e disposte in pile all’interno degli organuli responsabili della cattura della luce e della fotosintesi, che si chiamano cloroplasti. E’ proprio qui, tra le membrane tilacoidali, che si svolge il trasporto degli elettroni, grazie ad una sequenza di proteine che sono state  opportunamente manipolate per bloccare il flusso e deviarlo in strutture cilindriche 50000 volte più fini di un capello umano, i nanotubi di carbonio. Queste meraviglie della nanotecnologia funzionano come “trappole” di elettroni e li veicolano lungo i cavi elettrici.

Il sistema è ancora nelle sue fasi embrionali e l’elettricità prodotta molto modesta, ma ci sono margini di perfezionamento e l’ottimismo è tanto. Il concetto è di per sé così allettante che è stata fondata nel 2009, in Olanda, un’azienda che usa le piante per produrre energia elettrica, con un procedimento simile ma diverso. E’ stato messo a punto in questo caso un sistema per “catturare” gli elettroni prodotti dai microrganismi che consumano le sostanze di scarto della fotosintesi espulse dalle radici e liberate nel terreno, una metodologia che peraltro non danneggia o influenza in nessun modo la vita della pianta stessa. Il prossimo traguardo sarà portare questi e simili sistemi di produzione su larga scala, tale da soddisfare il fabbisogno energetico annuale medio delle famiglie o raggiungere le aree più povere del mondo.

Di Erika Salvatori

Riferimenti:

Sangue artificiale: a che punto siamo?

La donazione del sangue da parte di soggetti volontari sani è ad oggi l’unica modalità per assicurare continuità e sicurezza alle terapie trasfusionali. Ciononostante, complicazioni legate alla non compatibilità tra gruppi sanguigni, alla scarsa disponibilità e talora ai bassi standard di sicurezza riscontrati nei paesi in via di sviluppo rendono l’approvvigionamento di sangue per le trasfusioni un problema non indifferente. E’ plausibile pensare che in un futuro la ricerca scientifica consentirà di produrre sostituti artificiali del sangue, rivoluzionando la medicina trasfusionale? Gli scienziati credono di sì.

Sacca di sangue per trasfusioni (By ICSident at German Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29492562)

Il progetto è però ambizioso: il liquido rosso che circola nei nostri vasi sanguigni è straordinariamente complesso nelle sue funzioni e composizione. Costituito da milioni di composti chimici e cellule diverse, il sangue assolve meticolosamente a una serie di funzioni: trasporta ossigeno e nutrimento ai tessuti, raccoglie i prodotti del catabolismo, mantiene costanti pH e temperatura corporea, trasporta ormoni verso i loro tessuti bersaglio e ci protegge dai patogeni. Ancora non esiste un surrogato di sangue in grado di adempiere a tutti questi compiti, ma si stanno investigando diverse soluzioni, in buona parte basate sull’emoglobina, la proteina contenuta nei globuli rossi e responsabile del trasporto dell’ossigeno.

L’emoglobina è un tetramero, ossia una proteina costituita da quattro parti. Fuori dal globulo rosso viene però rapidamente degradata nelle forme dimerica o monomerica, costituite rispettivamente da due o una parte e potenzialmente tossiche. Per rendere l’emoglobina “acellulare” più stabile ed aumentare le sue performance in termini di trasporto di ossigeno, si è provato a modificarla chimicamente rinforzando i legami tra le sue quattro porzioni, collegando tra loro più molecole a formare una catena o coniugandola ad altri composti chimici. Nonostante le potenzialità, nessuna di queste soluzioni acellulari è veramente ottimale: l’emoglobina infatti funziona meglio all’interno del globulo rosso che non all’esterno.

Per questa ragione diversi gruppi di ricerca stanno studiando come generare globuli rossi artificiali. Semplificando al massimo, una cellula, e quindi anche un globulo rosso, è uno spazio acquoso delimitato da una membrana composta da grassi chiamati fosfolipidi. Incapsulando l’emoglobina in uno strato fosfolipidico è possibile quindi simulare una struttura cellulare ed aumentare di molto la sua stabilità nella circolazione sanguigna ed il trasporto di ossigeno.

I globuli rossi artificiali potrebbero dunque nei prossimi decenni diventare una realtà, alleviando la scarsità di sangue a disposizione per le trasfusioni in situazioni di emergenza ed in particolar modo nei paesi in via di sviluppo, dove si concentra l’80% della popolazione mondiale ma si raccoglie solo il 32% delle scorte mondiali di sangue e con bassi standard di sicurezza e alto rischio di trasmissione di infezioni.

Di Erika Salvatori

Fonti e approfondimenti:

OGM o non OGM: questo è il problema!

Un pubblico non specializzato alla domanda “cos’è un OGM?” probabilmente risponderebbe che è un organismo che ha subìto una manipolazione genetica, che è stato “geneticamente modificato”. La risposta è corretta, ma solo parzialmente e pecca di imprecisione: non tutti gli organismi geneticamente modificati sono OGM!

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Il futuro dell’alimentazione è la carne artificiale?

Ogni anno vengono macellati a scopo alimentare oltre cento miliardi (avete letto bene) di animali, la maggior parte dei quali è pollame. L’allevamento è una delle attività umane con il maggiore impatto ambientale: oltre metà delle coltivazioni terrestri è infatti destinato produrre foraggi e mangime per gli allevamenti, con enorme pressione verso territori vergini (che vengono convertiti a nuove coltivazioni, con danni ad animali e popolazioni) e danno ambientale diretto (deterioramento del suolo, elevato consumo di acqua…).

Per finire, la richiesta di carne è più che raddoppiata negli ultimi 50 anni, e -complice l’aumento della popolazione umana e il miglioramento delle condizioni di vita umane in molte aree del globo- aumenterà ancora nei prossimi anni.

Immagine grande: fiasche di coltura per la produzione in piccola scala di un hamburger artificiale. (C) New Harvest, http://www.new-harvest.org/ Immagine piccola: rappresentazione artistica della coltivazione in vitro

È dunque evidente che il sistema degli allevamenti potrebbe giungere al collasso. Una risposta sempre più diffusa all’aumentata consapevolezza del problema è l’incremento di persone che sposano diete vegetariane, che resta tuttavia un fenomeno di nicchia e poco influente a livello globale.

Ma se fosse possibile produrre carne…senza animali?

La carne artificiale è ottenuta tramite colture cellulari, in laboratorio. Cellule staminali vengono fatte crescere a formare un tessuto con caratteristiche del tutto simili al tessuto animale. L’idea che fosse poco efficiente allevare un intero animale per usarne solo alcune parti a scopo alimentare era stata evidenziata già da Winston Churchill nel 1931, ma i primi passi avanti nella produzione di carne artificiale si sono avuti alla fine degli anni 90, quando è stato depositato il primo brevetto per la produzione in vitro di tessuti ingegnerizzati. Nel 2013 a Londra ha avuto luogo la prima dimostrazione pubblica, un hamburger è stato cotto e poi assaggiato da un critico, che ha affermato che “il sapore è quello della carne”.

Da allora l’interesse per la carne artificiale è enormemente lievitato, per via delle enormi ricadute etiche ed ambientali che un simile prodotto ha, ma anche per la possibilità di produrre a costi enormemente inferiori. La possibilità di “creare” da cellule ingegnerizzate permette inoltre di stabilire a priori la composizione in termini di nutrienti (proteine, grassi…) per offrire un prodotto del tutto bilanciato con le necessità nutrizionali umane.

La procedura di produzione, sebbene ancora grezza, è semplice: si parte da cellule staminali di muscolo animale e le si fa crescere in una coltura usando un’impalcatura tridimensionale per “guidare” la crescita e la forma della massa cellulare (un compito che nell’organismo è svolto dalla matrice extracellulare). Una volta iniziato il processo, le cellule ingegnerizzate continuano a replicarsi all’infinito, producendo teoricamente 50 mila tonnellate di carne a partire da una singola cellula dopo due mesi di coltivazione.

Vi sono ancora alcune questioni da risolvere: la carne “vera” non è fatta solo da cellule muscolari ma anche da cellule lipidiche, fondamentali per dare alla carne il “gusto” a cui siamo abituati e le qualità organolettiche necessarie ad una cottura tradizionale. Inoltre, ad oggi il liquido in cui le cellule vengono coltivate contiene componenti di origine animale, quindi, finché non saranno trovate soluzioni alternative, anche la produzione di carne artificiale avrebbe comunque una certa dipendenza (sebbene molto inferiore) dall’allevamento.

Voi assaggereste un hamburger coltivato in laboratorio?

Di S. M.

Approfondimenti

Ciclo mestruale in provetta

L’apparato riproduttore femminile è un sistema formato da organi e tessuti quali ovaio, tube di Falloppio, utero e cervice che svolgono funzioni diverse. Tra queste c’è la regolazione degli ormoni sessuali. L’interazione tra tessuti e ormoni è così complessa che nessuno fino ad ora era riuscito a ricreare in vitro (in laboratorio) le stesse condizioni che avvengono in vivo (nell’organismo). Nessuno fino al 2017.

Schema del dispositivo (dall’articolo orginale pubblicato su Nature Communictions, vedi sezione “Fonti”)

I ricercatori dell’università di Chicago e di Cambridge hanno utilizzato la recente tecnica chiamata “organo su chip” per studiare il tratto riproduttivo femminile che consiste in un microsistema fisiologico formato da un chip di silicio in cui vengono inseriti dei microframmenti di tessuti o cellule immerse in un fluido. Sul chip si possono inserire cellule di tessuti diversi che sono collegati tra loro mediante microcanali dotati di sensori che analizzano ciò che li attraversa.

In questo caso sul chip sono stati inseriti tessuti di ovaio di topo e di tube di Falloppio, endometrio (la membrana che riveste l’utero), cervice e fegato di origine umana. Nel corso dell’esperimento, in un mese, sono stati registrati i picchi di estrogeni e progesterone tipici del ciclo mestruale umano.

Ora i biologi sperano di poter ricreare oltre le interazioni ormonali anche quelle che permettono al sistema riproduttivo di sostenere il feto e l’influenza su di esse del sistema immunitario.

Questa tecnologia potrebbe incidere sulla scoperta di nuovi farmaci per trattare i disturbi dell’apparato riproduttore femminile e potrebbe portare allo sviluppo di nuove strategie anticoncezionali.

Di G. M.

Fonti:

Il cervello non ha rughe

Di Erika Salvatori

“Il cervello non ha rughe: se continua a lavorare sodo, si rinnova continuamente, anche dopo gli 80 anni e, a differenza di altri organi, può persino migliorare”: non potremmo usare parole migliori di queste della grande scienziata Rita Levi Montalcini per introdurre il concetto di plasticità sinaptica, la capacità del cervello di modificare la sua struttura e funzionalità a seconda dell’esperienza.

Per molti anni l’apprendimento e la memoria sono stati considerati argomenti di psicologia più che di biologia. In tempi più recenti si è invece scoperto come dietro questi fenomeni si celino complessi meccanismi cellulari e molecolari: quando apprendiamo qualcosa, il nostro cervello subisce un riarrangiamento strutturale e funzionale, più o meno duraturo, che coinvolge le sinapsi, ossia i punti di contatto tra neuroni che servono a propagare gli impulsi nervosi.

Il modello più noto di plasticità sinaptica è quello del “potenziamento a lungo termine” e del suo opposto “depressione a lungo termine”, che si fonda sulla pionieristica ricerca dello psicologo canadese Donald Hebb. Entrambi i meccanismi sono mediati dai recettori per il neurotrasmettitore glutammato, una molecola segnale che viene rilasciata dal neurone pre-sinaptico e provoca una risposta eccitatoria nel neurone post-sinaptico. Quando il glutammato si lega al proprio recettore NMDA, questo si attiva e consente l’ingresso di calcio nel neurone post-sinaptico. Il calcio modula una serie di processi biochimici e molecolari, alcuni dei quali alla base della funzionalità della sinapsi stessa, come la sintesi di neurotrasmettitore o di ulteriori recettori e cambiamenti nella velocità di conduzione degli stimoli nervosi o nella taglia o numero delle cosiddette “spine dendritiche”, piccole protrusioni ricoprenti i dendriti, che si propagano a partire dal corpo del neurone.

Gli stessi recettori e modulatori intervengono in entrambi i processi di potenziamento e depressione: a cambiare è il tipo di stimolazione pre-sinaptica (e dunque la quantità di calcio in ingresso nel neurone post-sinaptico): più precisamente una stimolazione ripetuta ed intensa determina un aumento della funzionalità della sinapsi, mentre una stimolazione a frequenza più bassa ne determina una riduzione.

Il potenziamento a lungo termine è collegato non solo ai processi di apprendimento e memoria, ma anche, in alcune sue manifestazioni anomale, a diverse patologie e alla dipendenza da stupefacenti ed è perciò molto studiato nell’ambito delle neuroscienze.

“Tieni allenato il tuo cervello” è dunque molto più che uno slogan da pubblicità di giornali enigmistici: le esperienze che facciamo, le nozioni che apprendiamo contribuiscono a rinforzare e rimodellare i nostri circuiti cerebrali permettendoci, come la Montalcini ci ha insegnato, di mantenere una sorprendente lucidità anche fino a 100 anni!

 

Per approfondire:

Geni neanderthaliani: un’eredità silente

L’era genomica, iniziata nel 2001 con il completamento del sequenziamento del genoma umano, ha aperto nuove strade alla ricerca sulla storia evolutiva degli organismi. Il campo della genomica da allora ha visto avanzamenti tecnici continui, e nel 2010 si è riusciti ad ottenere una prima “bozza” (poi migliorata) del genoma dell’Homo Neanderthalensis, una specie umana estinta vissuta tra i 200.000 e i 40.000 anni fa. Nel 2010 inoltre si aggiunge un nuovo “parente” al nostro albero evolutivo, con la scoperta dell’Homo di Denisova, vissuto tra i 70.000 e i 40.000 anni fa.

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Ergotismo, funghi allucinogeni e credenze popolari

Ergot (in francese “sperone”) è il nome comune dato al fungo Claviceps purpurea, parassita di circa 400 specie vegetali appartenenti alla famiglia delle graminacee, in particolare della segale. Questo fungo si caratterizza per la formazione di strutture (gli sclerozi) simili a cornetti che conferiscono alla pianta infetta il nome di “segale cornuta“.

Attorno all’anno 1.000 sulle Dolomiti e lungo tutto l’arco alpino si raccoglieva segale per vivere; il grano dell’epoca non riusciva a crescere in quota e quello nero tedesco era il pane quotidiano dei montanari. A quel tempo non si sapeva, ma la segale usata per produrre il pane era spesso contaminata da Claviceps purpurea. Il fungo produce delle sostanze (alcaloidi) psicoattive derivate dall’acido lisergico e strutturalmente omologhe all’LSD; esse vengono sintetizzate dal fungo per evitare che d’inverno gli animali mangino lo sclerozio, una struttura fondamentale per la sopravvivenza del fungo stesso.

Gli alcaloidi assunti in dosi acute causano visioni, delirio e violenti fenomeni psichedelici nei mammiferi; buona parte della letteratura storiografica dell’Alto e Basso Medioevo sulle follie collettive e demoniache di interi villaggi (specie in Francia, Germania ed Olanda ma anche in seguito in America settentrionale) ha la sua causa scientifica in panificazioni operate con farine fortemente contaminate da Claviceps purpurea.

Corpo fruttifero di C. purpurea all’interno di una spiga si segale (Di Rasbak – Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=295119)

Invece, se assunti in forma cronica all’interno di farine leggermente inquinate, gli alcaloidi della segale cornuta determinano uno stato di intossicazione, detto ergotismo, caratterizzato da una progressiva degradazione del sistema circolatorio periferico che provoca spasmi dolorosi, crisi convulsive e talvolta anche forme di cancrena. Nel contesto culturale dell’epoca queste manifestazioni erano interpretate come la punizione divina per i peccati commessi.

Ai tempi delle Crociate, le reliquie di Sant’Antonio Abate furono traslate da Costantinopoli a Motte-Saint-Didier (attuale Saint-Antoine-l’Abbaye, vicino a Vienne in Francia); la devozione principale per il santo riguardava la guarigione dal cosiddetto “Fuoco di Sant’Antonio”. Nello sconforto, nel dolore fisico e nel terrore derivato da una malattia inspiegabile, gli abitanti delle montagne si aggrappavano alla Chiesa. I montanari intraprendevano un pellegrinaggio che diveniva una vera e propria epopea di settimane: a piedi o a dorso di mulo giungevano in Francia, lasciando i campi montani ed investendo i pochi risparmi.

Il numero dei malati che ricorrevano al santo taumaturgo era così elevato che si costruirono apposite strutture di accoglienza e venne impegnato l’ordine degli Antoniani per l’assistenza e la cura dei pellegrini. Tuttavia durante i giorni di cammino per giungere a Motte-Saint-Didier, la dieta dei pellegrini cambiava poiché in pianura iniziavano a nutrirsi di pane bianco, non più contaminato dal fungo. Il cambio di dieta continuava per tutti i giorni di permanenza e questo permetteva una graduale detossificazione dell’organismo; così i sintomi recedevano, le cancrene guarivano ed i dolori sparivano. Il Santo aveva compiuto il miracolo! In più, il potere taumaturgico della visita alla basilica ed alle reliquie di Sant’Antonio era rinforzato dalla conseguenza del ritorno ai pascoli in quota: la dieta era di nuovo ricca di pane nero contaminato e la malattia si manifestava ancora. La lontananza dalla Retta Via e la ricaduta nel peccato tornavano ad essere divinamente punite!

Così l’ergotismo prese il nome di “Fuoco di Sant’Antonio” e la Basilica del Santo deve buona parte della sua fama ad un fungo, ad un cereale ed alla scarsa conoscenza della loro relazione.

N.B.: Oggi con il nome “Fuoco di S. Antonio” si intende la riattivazione del virus della varicella (HZV) che colpisce un nervo e si manifesta con fenomeni cutanei localizzati lungo il decorso del nervo stesso. Compaiono gruppi di vescicole, simili a quelle della varicella, accompagnate da dolore vivo e alterata sensibilità.

Di A.A.

Approfondimenti: