Биотехнологии для Красной планеты

Биотехнологии для Красной планеты

Ученые разрабатывают новый метод выращивания цианобактерий в марсианских условиях, — пишет eurekalert.org.

НАСА в сотрудничестве с другими ведущими космическими агентствами стремится запустить свои первые полеты людей на Марс в начале 2030-х годов, в то время как такие компании, как SpaceX, могут сделать это еще раньше. Астронавтам на Марсе понадобятся кислород, вода, еда и другие расходные материалы. Их нужно будет получать с Марса, потому что импортировать их с Земли в долгосрочной перспективе нецелесообразно. В книге «Границы микробиологии» ученые впервые показывают, что цианобактерии Anabaena можно выращивать только с использованием местных газов, воды и других питательных веществ при низком давлении. Это значительно упрощает разработку устойчивых биологических систем жизнеобеспечения.

«Здесь мы показываем, что цианобактерии могут использовать газы, доступные в марсианской атмосфере, при низком общем давлении, в качестве источника углерода и азота. В этих условиях цианобактерии сохранили свою способность расти в воде, содержащей только марсианскую пыль», — говорит ведущий автор д-р Сиприен Версо — астробиолог, возглавляющий Лабораторию прикладной космической микробиологии в Центре прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета (Германия).

Атмосфера низкого давления

Цианобактерии долгое время использовались в качестве кандидатов для биологического жизнеобеспечения в космических полетах, поскольку все виды производят кислород посредством фотосинтеза, а некоторые могут превращать атмосферный азот в питательные вещества. Сложность заключается в том, что они не могут расти непосредственно в марсианской атмосфере, где общее давление составляет менее 1% от земного — от 6 до 11 гПа — слишком низкое для присутствия жидкой воды — в то время как парциальное давление газообразного азота — от 0,2 до 0,3 гПа — слишком низкое для их метаболизма. Но воссоздание земной атмосферы было бы дорогостоящим: газы необходимо было бы импортировать, в то время как система культивирования должна была бы быть надежной — следовательно, тяжелой для перевозки — чтобы противостоять перепадам давления. Поэтому исследователи искали золотую середину: атмосферу, близкую к марсианской, которая позволяет цианобактериям хорошо расти.

Чтобы найти подходящие атмосферные условия, Verseux et al. разработал биореактор под названием Atmos (для «Тестера атмосферы для органических систем, связанных с Марсом»), в котором цианобактерии можно выращивать в искусственной атмосфере при низком давлении. Любой ввод должен поступать с самой Красной планеты: помимо азота и углекислого газа, газов, содержащихся в марсианской атмосфере, и воды, которая может быть добыта из льда, питательные вещества должны поступать из «реголита» — пыли, покрывающей планеты и луны, похожие на Землю. Марсианский реголит богат питательными веществами, такими как фосфор, сера и кальций.

Atmos имеет девять сосудов емкостью 1 л, изготовленных из стекла и стали, каждый из которых является стерильным, нагревается, контролируется давлением и контролируется цифровым способом, в то время как находящиеся внутри культуры постоянно перемешиваются. Авторы выбрали штамм азотфиксирующих цианобактерий под названием Anabaena sp. PCC 7938, потому что предварительные тесты показали, что он особенно хорошо использует марсианские ресурсы и помогает выращивать другие организмы. Было показано, что близкородственные виды съедобны, подходят для генной инженерии и способны образовывать специализированные спящие клетки, чтобы выжить в суровых условиях.

Версо и его коллеги впервые вырастили анабену в течение 10 дней в смеси 96% азота и 4% углекислого газа при давлении 100 гПа — в десять раз ниже, чем на Земле. Цианобактерии росли так же хорошо, как и на воздухе. Затем они испытали комбинацию модифицированной атмосферы с реголитом. Поскольку реголит никогда не доставлялся с Марса, они использовали субстрат, разработанный Университетом Центральной Флориды (названный «Mars Global Simulant»), вместо этого для создания питательной среды. В качестве контроля Anabaena выращивали в стандартной среде, либо при окружающем воздухе, либо в той же искусственной атмосфере низкого давления.

Цианобактерии хорошо росли во всех условиях, в том числе в реголите в богатой азотом и углекислым газом смеси при низком давлении. Как и ожидалось, они росли быстрее в стандартной среде, оптимизированной для цианобактерий, чем на Mars Global Simulant в любой атмосфере. Но это все же большой успех: хотя стандартную среду нужно было бы импортировать с Земли, реголит повсеместно распространен на Марсе. «Мы хотим использовать в качестве питательных веществ доступные на Марсе ресурсы, и только они», — говорит Версе.

Высушенная биомасса Anabaena была измельчена, суспендирована в стерильной воде, профильтрована и успешно использована в качестве субстрата для выращивания бактерий E. coli, доказав, что из них можно извлечь сахара, аминокислоты и другие питательные вещества для питания других бактерий, использующихся как инструменты для биотехнологии. Например, кишечную палочку легче создать, чем анабену, для производства некоторых пищевых продуктов и лекарств на Марсе, которые анабена не может создать.

Исследователи пришли к выводу, что азотфиксирующие и производящие кислород цианобактерии можно эффективно выращивать на Марсе при низком давлении в контролируемых условиях, используя исключительно местные ингредиенты.

Эти результаты — важный шаг вперед. Но авторы предупреждают, что необходимы дальнейшие исследования. «Мы хотим перейти от этой экспериментальной концепции к системе, которую можно эффективно использовать на Марсе», — говорит Версе. Они предлагают настроить оптимальную для роста комбинацию давления, углекислого газа и азота, одновременно тестируя другие виды цианобактерий, возможно, генетически адаптированные для космических миссий. Также необходимо разработать систему выращивания для Марса.

«Наш биореактор Атмос — это не та система культивирования, которую мы использовали бы на Марсе: он предназначен для тестирования на Земле условий, которые мы создадим там. Но наши результаты помогут направить разработку системы культивирования на Марсе. Например, более низкое давление означает, что мы можем разработать более легкую конструкцию, которую легче загружать, так как ей не придется выдерживать большие различия между внутренним и внешним пространством», — заключает Версе.

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>