Le spie di domani? Le piante. Neal Stewart ci spiega la scommessa della bio-intelligence

Nel teatro della guerra iper-tecnologica, siamo abituati a immaginare droni, algoritmi e satelliti come i protagonisti della sorveglianza globale. Eppure, la prossima frontiera dell’intelligence militare potrebbe essere costituita da clorofilla e radici. L’obiettivo della bio-intelligence è trasformare il mondo vegetale in una rete di sensori invisibile, capillare e autosufficiente. 

Per capire come potrebbero tradursi gli esperimenti in corso, InsideOver ha intervistato uno dei massimi esperti mondiali del settore, C. Neal Stewart Jr., esperto di genetica molecolare vegetale, biotecnologie, biologia sintetica ed ecologia, nonché pioniere nello sviluppo dei fitosensori (piante modificate geneticamente in laboratorio per reagire a specifici stimoli ambientali alterando il proprio colore o la propria fluorescenza).

In che modo la scienza sta utilizzando le piante

Non potendosi muovere, le piante hanno evoluto una sensibilità estrema ai minimi cambiamenti dell’ambiente circostante. La scienza oggi è in grado di sfruttare questa capacità biologica attraverso strade diverse: dalla nanobionica vegetale, che prevede l’inserimento di nanosensori hi-tech direttamente nei tessuti, fino allo studio della flora spontanea. La strada storicamente più battuta dagli scienziati, tuttavia, è quella della biologia sintetica: la creazione di fitosensori.

Se nel 2017 la DARPA, l’agenzia del Pentagono per i progetti di ricerca avanzata, aveva avviato il programma Advanced Plant Technologies (APT) focalizzandosi sulla manipolazione in laboratorio, ovvero su sentinelle geneticamente modificate per reagire a esplosivi o radiazioni, ad aprile 2026, con il lancio del nuovo programma eX Virentia (eXVi), ha cambiato rotta, puntando sulla flora naturale. Invece di modificare il DNA dei vegetali, il programma sfrutta l’intelligenza artificiale e il telerilevamento iperspettrale per decodificare le risposte biochimiche che le piante inviano spontaneamente quando esposte a minacce esterne.

InsideOver ha cercato di contattare direttamente la DARPA e i funzionari dei programmi di intelligence biologica per ottenere maggiori dettagli operativi sui progetti terminati e in corso, ma, ad oggi, nessuna delle agenzie ha risposto.

Perché il Pentagono studia patate e tabacco

Le piante producono energia autonomamente e sono in grado di rilevare segnali sotterranei attraverso le radici, così come segnali aerei attraverso le foglie. Inoltre hanno una maggiore tolleranza alle radiazioni rispetto agli animali, probabilmente perché non possono sfuggire ai pericoli. Per questo hanno sviluppato sofisticati sensori molecolari per i cambiamenti ambientali e possono essere modificate geneticamente per produrre un segnale ottico che droni e satelliti riescono a leggere a distanza. 

Non tutte le piante però sono adatte a diventare agenti segreti. Cercando informazioni su questo argomento, ci si imbatte in ricerche che prediligono determinati esemplari, come patate e tabacco. Il motivo è in realtà semplice: “Le piante a foglia relativamente grande e le piante più grandi in generale, funzionano meglio di quelle piccole, se si vuole ‘vedere’ facilmente come il fogliame cambia quando la pianta rileva e segnala un mutamento ambientale”, spiega Neal Stewart.

Inoltre, “le piante devono essere relativamente facili da ingegnerizzare e devono essere a crescita piuttosto rapida. Le piante annuali tendono ad andare ‘più veloci’ dal seme alla visualizzazione del segnale rispetto a quelle perenni”, aggiunge.

Il tabacco e la patata sono inoltre due specie in cui “l’ingegnerizzazione dei cloroplasti (la modifica genetica delle componenti cellulari responsabili della fotosintesi, ndr) è ormai una procedura di routine”, spiega Stewart che precisa come “per il nostro progetto APT della DARPA (Phytosensors 2.0), volevamo anche avere l’ingegnerizzazione dei cloroplasti come opzione, anche se poi non abbiamo avuto bisogno di farlo”. ll team in quel caso aveva preferito inserire i circuiti genetici nel genoma nucleare della pianta.

 La patata che si illumina di verde in una zona nucleare

La foglia larga diventa quindi una superficie riflettente che i droni o i satelliti militari di ultima generazione possono scansionare dall’alto per leggere variazioni invisibili all’occhio umano. Ad esempio, alcune piante, come l’Arabidopsis, in cui sono stati individuati geni sensibili al TNT (trinitrotoluene), o le stesse patate, sono state modificate geneticamente per passare dal verde al bianco o per emettere precise risposte spettrali, se attivate.

Le piante di patate, in particolare, sono facili da coltivare in tutto il mondo e resistono a una quantità di radiazioni dieci volte superiore a quella che ucciderebbe un essere umano. Nel progetto finanziato dalla DARPA, il team di Stewart ha sottoposto le patate a radiazioni gamma (le stesse di Fukoshima e Chernobyl) che hanno creato delle rotture nel DNA, permettendo alla pianta di diventare, in 48 ore, fluorescente. Maggiore è l’intensità della radiazione, maggiore è la fluorescenza. Sebbene invisibile all’occhio umano, questo segnale viene captato dai droni, permettendo di mappare e stimare la contaminazione dall’alto.

Il lavoro del team, pubblicato nel 2023 sulla rivista Plant Biotechnology Journal, ha portato allo sviluppo di un fitosensore specifico per radiazioni ionizzanti (denominato 4xRAD51 pro event 1), capace di rilevare e quantificare livelli di radiazioni a una distanza di tre metri. A differenza dei dosimetri e delle apparecchiature elettroniche tradizionali, che necessitano di alimentazione elettrica e manutenzione costante, questo sensore a base vegetale è indipendente dall’elettricità, si auto-propaga ed è in grado di autoripararsi, configurandosi come uno strumento concreto per il monitoraggio ambientale del futuro.

Un limite però risiede nel fatto che la proteina fluorescente verde (GFP) richiede di essere eccitata con luce blu o UV, un’operazione banale in laboratorio, ma più complessa in pieno sole sul campo. La soluzione più ovvia, secondo Stewart è sostituire la GFP con la betalaina, una proteina pigmentata della barbabietola che produce un colore rosso, visibile senza bisogno di alcuna fonte di eccitazione.

Piante usate per trovare resti umani

Il laboratorio di Stewart è celebre anche per le ricerche forensi sulla Body Farm del Tennessee, dove si studia come la vegetazione nativa reagisce alla decomposizione dei corpi umani per localizzare resti occultati. Quando un corpo si decompone altera chimicamente il terreno circostante a causa del massiccio rilascio di azoto.

Qui emerge il vero spartiacque tra l’osservazione della natura selvaggia e la biologia sintetica. Rilevare minacce usando piante normali è complesso: “Il nostro lavoro su Phytosensors 2.0 ha utilizzato nello specifico la biotecnologia e la biologia sintetica per ingegnerizzare piante di patata e renderle dei sensori. Il nostro progetto sulla ‘body farm’, invece, ha utilizzato la vegetazione naturale che cresce nell’area boschiva della struttura per cercare di rilevare le tracce chimiche della decomposizione umana. Il primo caso è stato molto più facile da realizzare rispetto al secondo, perché i ricercatori potevano introdurre segnali e firme spettrali specifiche. Il secondo si basava sul tentativo di estrarre segnali dalle piante native, il che è stato difficilissimo e ha portato a segnali sporadici e variabili nello spazio e nel tempo”.

Il limite del tempo: elettronica contro biologia

In un’epoca di conflitti fluidi e movimenti di truppe repentini, una rete di sensori vegetali può davvero fornire dati in tempo reale? Su questo punto, Stewart frena gli entusiasmi, evidenziando la complessità delle piante: “Dipende dallo stimolo, dalla specie vegetale e dalla segnalazione dalle radici ai germogli (root-to-shoot signaling). Di solito non è possibile ‘vedere’ le radici dall’alto (dai droni o dai satelliti, ndr). Pertanto, il meccanismo di segnalazione, ovvero il messaggio chimico che deve viaggiare dalle radici alle foglie e la sua efficienza sono cruciali per non perdere il segnale. È più facile se sono le foglie stesse a rilevare (ad esempio un gas nell’aria) e a segnalare. Ma la biologia è relativamente lenta se paragonata, ad esempio, all’elettronica”.

Quindi, a differenza dei sensori elettronici istantanei, se la minaccia è nel sottosuolo la pianta deve attivare un segnale biologico dalle radici alle foglie, rendendo la tecnologia più adatta a monitoraggi costanti nel tempo piuttosto che a operazioni militari veloci. Nei test sulle patate, le piante hanno segnalato la presenza di radiazioni 48 ore dopo l’esposizione. I fitosensori sono lenti e non sempre sensibili e presentano forti limiti stagionali. Le patate muoiono in inverno. Per ovviare a questo, la ricerca ipotizza di inserire il gene-sensore in specie sempreverdi. Ci sono comunque molti vantaggi, come l’essere in grado di autoripararsi, riprodursi e autoalimentarsi.

Il boost delle nanotecnologie

Il fattore tempo cambia drasticamente se si interviene con le nanotecnologie. Ricercatori del MIT di Boston, hanno trasformato comuni piante di spinacio in rilevatori di mine antiuomo inserendo nanotubi di carbonio nelle foglie. In questo modo la pianta avverte la minaccia (un gas tossico, un esplosivo) nel suolo tramite le radici e il sensore elettronico applicato sulla foglia la traduce in un dato digitale. In questo caso, la pianta impiega appena dieci minuti per assorbire dal terreno le molecole dei composti chimici degli esplosivi e lanciare un segnale fluorescente leggibile da una telecamera a infrarossi. Quest’ultima può essere collegata a un piccolo computer simile a uno smartphone, che invia un’e-mail all’utente.

Questa tecnologia apre scenari straordinari anche per l’uso civile, potendo monitorare le falde acquifere inquinate o lanciare allarmi precoci sulla siccità. Tuttavia, rispetto al progetto della DARPA, i nanotubi non si trasmettono di seme in seme, ma devono essere iniettati manualmente sotto ogni singola foglia.

Tracciare sottomarini nemici e sopravvivere su Marte 

Il Dipartimento della difesa degli Stati Uniti ha estenso la bio-intelligence anche agli ambienti marini. Nell’ambito di un’iniziativa avviata nel 2018 per la biologia sintetica in ambienti militari, la DARPA ha lanciato il programma PALS (Persistent Aquatic Living Sensors).

L’obiettivo è creare forme di vita marine geneticamente modificate per tracciare i sottomarini nemici. Al passaggio di un mezzo subacqueo, le tracce chimiche e fisiche rilasciate scatenerebbero una modifica negli organismi marini, innescando minuscoli segnali elettrici. Monitorati da boe o sensori remoti, questi segnali verrebbero tradotti in dati tattici, trasformando i mari in una rete di sorveglianza biologica. Il programma è entrato nella sua seconda fase un anno dopo l’avvio. 

Nella prima fase, i team hanno dimostrato che gli organismi marini potevano percepire la presenza di un veicolo sottomarino (o di un fattore di disturbo) nel loro ambiente e rispondere con un segnale o altri comportamenti osservabili. Nella seconda fase, i team svilupperanno sistemi di rilevamento artificiali per osservare, registrare e interpretare le risposte degli organismi, e trasmetteranno i risultati analizzati agli utenti finali sotto forma di avvisi sintetizzati. I sistemi PALS completi saranno in grado di distinguere tra veicoli bersaglio e altre fonti di stimolo, come detriti e altri organismi marini, per limitare il numero di falsi positivi.

Uno scenario al momento fantascientifico in cui queste tecnologie potrebbero essere utilizzate è quello dello spazio. In una recente intervista, Stewart ha parlato della possibilità di missioni di lunga durata su Marte, in cui gli astronauti potrebbero affrontare impulsi di radiazioni intermittenti provenienti dalle tempeste solari. Un sensore a base di patata commestibile, da consumare dopo aver segnalato l’esposizione, o semplicemente da monitorare nell’habitat, potrebbe diventare un dosimetro biologico, ovvero uno strumento che misura le radiazioni ma che non richiede componenti elettronici. Stewart ha descritto il concetto come qualcosa di “simile a Matt Damon in The Martian”, ma con un tocco biotecnologico.

“Dual-use” e dilemma etico

Come spesso accade con le tecnologie di frontiera, chi manipola il DNA si muove su un terreno scivoloso. L’algoritmo o la modifica genetica che permette a un contadino di sapere dall’orbita se il suo campo di patate è attaccato da un parassita o ha bisogno di acqua è, dal punto di vista tecnico, lo stesso meccanismo che segnala a un’agenzia di difesa il passaggio di un contingente nemico o la presenza di un gas letale.

Di fronte al rischio che queste piante possano essere utilizzare per scopi offensivi, Stewart preferisce porre l’accento esclusivamente sui risvolti civili della ricerca: “Non sarò mai un sostenitore della conversione di ampie porzioni di flora nativa in sensori ingegnerizzati. Ho studiato per anni i rischi e i benefici ecologici legati alle biotecnologie e sono molto sensibile a questi temi. Considero tutta la ricerca che abbiamo svolto come generalmente applicabile a scopi di rilevamento e segnalazione pacifici, per dirci cosa sta succedendo nel campo di un agricoltore o nell’ambiente in generale. E poi, naturalmente, i vari Paesi hanno le loro strutture normative e di governance. Sono interessato solo ad applicazioni pacifiche che non siano pericolose per le persone o per l’ecosistema. Se ci sono dei rischi, il mio laboratorio non può intraprendere la ricerca per ragioni etiche”.

Le aziende che investono nella bio-intelligence

Sul fronte civile, diverse aziende stanno sviluppando fitosensori progettati per essere letti dai satelliti. InnerPlant, ad esempio, è una startup che collabora con colossi come John Deere e che ha già lanciato in orbita satelliti dedicati esclusivamente a leggere la fluorescenza ottica delle piante di soia e mais modificate per segnalare lo stress da funghi o parassiti.

Inari Agriculture usa la tecnologia CRISPR per riprogrammare la tolleranza allo stress delle colture, mentre giganti della biologia sintetica come Ginkgo Bioworks sviluppano progetti di bio-sorveglianza stringendo partnership direttamente con le agenzie di difesa governative. Parallelamente, aziende come Planet Labs, Satellogic e Gamaya utilizzano costellazioni satellitari e intelligenza artificiale iperspettrale per decodificare lo stato biochimico e le anomalie della vegetazione in tempo reale.

Perché le piante non fanno (ancora) la guerra

Per quanto riguarda il fronte militare, nonostante i budget miliardari e i test nei laboratori, non esistono ancora prove del reale utilizzo di piante nei teatri di guerra contemporanei. Da un lato c’è il segreto militare e dall’altro forse la biologia non è ancora affidabile come l’elettronica. Una siccità prolungata o un parassita locale, ad esempio, potrebbero mandare in tilt un’intera rete di fitosensori. Ecco perché, ad oggi, il Pentagono non ha mai attribuito il successo di un’operazione militare a un campo di spinaci nanobionici. Dopotutto, la biologia ha i suoi segreti e soprattutto i suoi tempi.