Piante come sensori discreti, autosufficienti e monitorati a distanza in grado di segnalare pericoli

L’esercito Usa progetta piante spia

«Sentinelle silenziose della natura potrebbero aiutare a rilevare le minacce alla sicurezza»

[4 dicembre 2017]

Da sempre i militari hanno bisogno di informazioni tempestive e accurate e il  12 dicembre il Biologicalt technologies office (Bto)  della defense advanced research projects Agency (Darpa) del Dipartimento della difesa Usa presenterà ufficialmente ad Arlington, in Virginia, il  progetto  Advanced Plant Technologies (Apt) che dovrebbe risolvere questa richiesta in un modo inaspettato.

La macchina militare Usa – la più potente e costosa del mondo – investe enormi cifre nello sviluppo di potenti sensori elettronici e meccanici e nella loro gestione e manutenzione e la Darpa è stata coinvolta nel settore della ricerca in questo campo sin dalla sua istituzione, sviluppando tecnologie come i satelliti VELA e i sismografi per controllare che l’Unione Sovietica rispettasse il Trattato sul divieto dei test nucleari. «Oggi, , circa sessant’anni dopo – dicono alla Darpa –  la necessità di informazioni non è meno urgente, ma il panorama della sicurezza nazionale è diventato molto più complesso e le sfide legate al monitoraggio dell’attività distribuita sono molto più complicate. I sensori militari tradizionali non sono sempre ottimali per questo compito».

I militari statunitensi hanno quindi  deciso di attingere alla natura, «maestra della complessità», che offre potenziali soluzioni. Per realizzare la prossima generazione di raccoglitori di informazioni, il nuovo programma Apt di Darpa guarda a piante apparentemente semplici e a tecnologie per l’ingegnerizzazione di sensori robusti e basati su organismi utosufficienti nel loro ambiente e che possono essere monitorati da remoto, utilizzando l’hardware esistente.

Con il progetto Advanced Plant Technologies  l’Apt punta a «imbrigliare i meccanismi naturali delle piante per il rilevamento e la risposta agli stimoli ambientali e ad estenderli per rilevare la presenza di determinate sostanze chimiche, patogeni, radiazioni e persino segnali elettromagnetici». Al Bto spiegano che «L’Apt  mira a modificare i genomi delle piante per programmare questi specifici tipi di sensing e attivare meccanismi di risposta discreti in presenza di stimoli rilevanti, e farlo in un modo che non comprometta la capacità di crescita delle piante. Se il programma avrà successo, fornirà una nuova piattaforma di rilevamento indipendente dal punto di vista energetico, robusta, furtiva e facilmente distribuibile. Tali sensori potrebbero trovare applicazione anche al di fuori del settore militare, rendendo possibile, ad esempio, che le comunità possano identificare in sicurezza mine terrestri o residuati bellici di conflitti passati o di poligoni di tiro».

Blake Bextine, program manager Darpa per Apt, aggiunge: «Le piante sono fortemente in sintonia con i loro ambienti e manifestano naturalmente risposte fisiologiche a stimoli di base come luce e temperatura, ma in alcuni casi anche a contatto con sostanze chimiche, parassiti e agenti patogeni. Le tecniche di modellazione molecolare emergenti possono rendere possibile la riprogrammazione di queste capacità di rilevamento e reporting per un’ampia gamma di stimoli, che non solo aprono nuovi flussi di intelligence, ma riducono anche i rischi e i costi del personale associati ai sensori tradizionali».

Con l’Apt il Biologicalt technologies office  punta ad andare ben oltre le attuali pratiche di intelligence, che tendono a perseguire solo un numero minimo di modifiche: l’obiettivo della Darpa  è quello di «modificare i tratti multipli e complessi delle piante per dare loro nuove funzionalità che consentano di percepire e riportare numerosi stimoli». Ma per riuscirci il programma deve anche affrontare il problema di come le piante modificate allocano risorse interne e competono negli ambienti naturali. I precedenti esperimenti di questo tipo di hanno ridotto l’idoneità delle piante modificate che non avevano abbastanza risorse per svolgere le nuove funzioni. L’Apt cercherà di migliorare il modo in cui le piante raccolgono e distribuiscono le risorse e di ottimizzare la loro idoneità in modo che le piante modificate prosperino nonostante le interazioni previste a causa di fattori di stress naturali quali microbi, animali, insetti e altre piante». Insomma. le piante spia modificate non dovranno modificare l’equilibrio con le altre piante, gli insetti e l’ecosistema in generale.

Bextine spiega ancora: «Advance plant technologies è un programma centrale di biologia sintetica e, come con altri lavori di Darpa in quell’ambito, il nostro obiettivo è quello di sviluppare un sistema efficiente e iterativo per progettare, costruire e testare i modelli in modo da definire con una piattaforma efficiente e facilmente adattabile che possa essere applicata a una vasta gamma di scenari».

I ricercatori Apt dovranno determinare quali piante, stimoli e modifiche utilizzare per testare il progetto che prenderà il via in laboratorio e in serra, così come in ambienti naturali simulati, e rispetteranno tutti i regolamenti federali Usa applicabili  e avranno una supervisione supplementare da parte dei comitati istituzionali di biosicurezza. Alla Darpa  sottolineano che «Se la ricerca avrà successo, nelle fasi successive il trial sul campo si svolgeranno sotto gli auspici dell’Animal and plant health inspection service del Dipartimento dell’agricoltura Usa seguendo tutti i protocolli standard per la biosicurezza delle piante.  L’Apt  si affiderà alle tecnologie terrestri, aeree e spaziali esistenti  per monitorare da remoto i report delle piante. Fino a un certo punto, tali sistemi sono già in grado di misurare, tra le altre caratteristiche, la temperatura, la composizione chimica, la riflettenza e la consistenza fisica delle piante. Il programma Apt  non finanzia lo sviluppo di nuovo hardware per questo scopo».