Prežiť na Marse, BYO baktérie

Prežiť na Marse, BYO baktérie

Mikrofluidné karty PowerCell v oblasti sledovania svetla LED. Poďakovanie: fotograf NASA Ames/Dominic Hart

Ústrednou zásadou prieskumu vesmíru je „ľahké balenie“. Táto filozofia je vecou praktickosti aj ekonomiky – vypustiť veci z tohto sveta je drahé. Takže ako NASA zaradí rýchlosť, aby pristál na Marse , výskum sa obracia na to, ako budú astronauti vyrábať to, čo potrebujú na mieste.

Na tento účel vedci spoliehajú na baktérie na podporu života.



Myšlienka je, že astronauti na Marse by si so sebou priniesli malú dávku mikroorganizmov – niektoré geneticky modifikované, iné nie – ktoré dokážu syntetizovať stavebné kamene pre celý rad produktov vrátane stavebných materiálov, textílií, biopalív a liečiv. Po umiestnení na terra firma , priekopníci Červenej planéty by potom svoje mikroskopické stádo rozrástli na rušnú farmu.

„Namiesto toho, aby ovca vyrábala vlnu, pripravíte kvasinky alebo a Bacillus subtilis na výrobu produktov,“ hovorí Lynn Rothschild, astrobiologička z NASA Ames Research Center, ktorá vedie jej prácu na syntetická biológia , oblasť, ktorá zahŕňa navrhovanie a budovanie nových biologických systémov na užitočné účely.

Samozrejme, tak ako potrebujú jesť hospodárske zvieratá, tak budú musieť jesť aj jednobunkové pracovné kone, ktoré by sme jedného dňa mohli pestovať na Marse. Aká je teda vhodná surovina? Rothschild a jej kolegovia si myslia, že odpoveďou by mohli byť cyanobaktérie – druh fotosyntetických baktérií. Pri spracovávaní slnečného žiarenia a oxidu uhličitého niektoré sinice produkujú cukry, ktoré by mohli udržiavať ostatné pracovité mikroorganizmy pri vytváraní produktov. V skutočnosti, výskumníci už ukázali že cyanobaktérie môžu byť upravené tak, aby „unikali“ sacharózu z ich buniek.

Experiment rastu cyanobaktérií. Poďakovanie: fotograf NASA Ames/Dominic Hart

Ak teda sinice poskytujú potravu pre iné mikroorganizmy, čím sa tieto sinice živia? Ako sa ukázalo, ich základná výživa je dostupná na Červenej planéte. „Väčšina z nich dokáže prežiť a množiť sa bez akéhokoľvek zdroja [organického] uhlíka,“ hovorí Ivan Glaucio Paulino-Lima, mikrobiológ z Asociácie pre vesmírny výskum univerzít a hosťujúci vedec v Rothschildovom laboratóriu v NASA Ames. „Na rast potrebujú iba vodu, trochu soli a svetlo.“ Tieto soli možno nájsť v marťanskom regolite, hovorí a výskumníci našli dôkazy že na Marse prerušovane prúdi tekutá voda.

Niektoré sinice, ako napr Chroococcidiopsis , rod nachádzajúci sa v horúcich a studených púšťach, sú tiež mimoriadne odolné, pokiaľ ide o extrémne prostredie na Zemi, čo naznačuje, že by mohli prežiť na Marse bez prílišného držania rúk. „Dokážu sa vyrovnať s vysokým UV žiarením a ionizujúcim žiarením,“ tvrdí Daniela Billi, astrobiologička a botanička z Rímskej univerzity Tor Vergata, ktorá sa štúdiu venuje viac ako 20 rokov. Chroococcidiopsis .

Základné funkcie cyanobaktérií na Marse by mohli presahovať ich úlohu ako večere pre iné mikróby. Okrem fotosyntézy niektoré cyanobaktérie, ako sú tie z rodu Anabaena , môže tiež fixovať dusík a vedľajšie produkty z tohto procesu by sa mohli potenciálne použiť na hnojenie hydroponických rastlín, na ktoré by sa ľudia pravdepodobne spoliehali ako jedlo, hovorí Billi. A čo viac, kyslík, ktorý sinice produkujú ako metabolický odpadový produkt, by mohol byť znovu použitý pre astronautov, navrhuje Rothschild.

Stručne povedané, hovorí Rothschild, „vidíme cyanobaktérie ako rozhranie“ medzi prírodnými zdrojmi dostupnými na Marse – slnečným žiarením, dusíka — a mikroorganizmy chrliace produkty, ktoré by ľudia potrebovali na prežitie a dokonca aj na prosperovanie.

Zatiaľ čo funkčná marťanská kolónia je vzdialená, výskumníci majú určitú predstavu, ako by mohol vyzerať systém podpory života baktérií. Paulino-Lima tvrdí, že cyanobaktérie by mohli žiť vo vode pod krytom priehľadných kupol, čo by umožnilo slnečnému žiareniu dostať sa k mikróbom a zároveň udržiavať teplotu a tlak na pohostinných úrovniach. V priemere 7,5 milibaru je „atmosféra Marsu tenká,“ hovorí Paulino-Lima (na Zemi presahuje 1 000 milibarov), „takže [sinice] potrebujú o niečo väčší tlak.

Mikroorganizmy, ktoré si pochutnávajú na cukroch cyanobaktérií, medzitým nemusia byť vystavené svetlu. Namiesto toho by mohli byť umiestnené v kontajneroch, ako sú „kade, v ktorých vyrábate pivo,“ hovorí Rothschild.

Neskôr v tomto roku výskumníci bude o kúsok bližšie vidieť, ako nepriaznivé podmienky vesmíru ovplyvňujú syntetickú biológiu, keď malý náklad NASA vypustí na nemeckú satelitnú misiu tzv Ja: CROPIS . Užitočné zaťaženie obsahuje sériu experimentov navrhnutých na testovanie toho, ako sa baktériám darí v rôznych gravitačných režimoch, v rôznych podmienkach rastu.

Užitočné zaťaženie, dabované PowerCell , založené na rozvinula sa myšlienka tímom vysokoškolákov v roku 2011 na medzinárodnú súťaž v syntetickej biológii s názvom GEM . (Rothschild mentoroval tím, ktorý tvorili študenti zo Stanfordskej a Brownovej univerzity.) Užitočné zaťaženie, ktoré váži približne toľko ako miniatúrny bradáč, pozostáva z dvoch samostatných modulov. Každý modul obsahuje štyri kópie zariadenia veľkosti iPhone, nazývaného mikrofluidná karta, ktorá obsahuje 48 malých jamiek rozdelených do štyroch radov.

Mikrofluidné karty PowerCell. Poďakovanie: fotograf NASA Ames/Dominic Hart

Každá jamka je domovom asi milióna spór Bacillus subtilis , čo je dobrý kandidát na druhy mikróbov, ktoré by sme jedného dňa mohli pestovať na Marse. Tieto baktérie sú „veľmi húževnaté, veľmi odolné voči mnohým environmentálnym stresom,“ hovorí Paulino-Lima – ale vo forme spór sú „nepriestrelné, doslova. Ľudia robili experimenty kde dali Bacillus na guľku vystrelenú proti stene a prežili,“ hovorí.

Mikrofluidná karta je vybavená sériou ventilov a púmp, ktoré dodávajú špecifické rastové médium do každého radu jamiek. Keď sa spóry rehydratujú, pustia sa do jedného zo štyroch experimentov (jeden experiment na riadok). Napríklad jeden experiment bude skúmať, či sa baktérie množia v typickom rastovom médiu. 'Toto je naša základná línia,' hovorí Rothschild, ktorý je hlavným vyšetrovateľom užitočného zaťaženia.

Nemecké centrum pre letectvo a kozmonautiku plánuje vypustiť satelit Eu:CROPIS ešte v tomto roku.

Ďalší riadok bude testovať, ako dobre baktérie prijímajú cudzie kúsky DNA do svojho genómu - proces známy ako transformácia, ktorý je nevyhnutný pre genetické inžinierstvo. Tretí riadok medzitým odhalí, ako dobre baktérie syntetizujú rôzne proteíny z DNA, ktorá už bola vložená do ich genómu. Posledný riadok otestuje rast baktérií v lyzáte získanom zo siníc, čo je koncentrovaný extrakt bunkovej tekutiny – predstavte si to ako mikrobiálne smoothie. Optické senzory v každej jamke určia, koľko rastu nastane.

Každý z experimentov bude vystavený trom rôznym typom gravitácie. Satelit sa najprv roztočí spôsobom, ktorý napodobňuje mikrogravitáciu – s čím sa stretávajú astronauti na Medzinárodnej vesmírnej stanici. Potom bude simulovať mesačnú gravitáciu. A nakoniec sa bude točiť na úrovni marťanskej gravitácie, ktorá je takmer 40 percent zemskej. Údaje budú automaticky zhromaždené a prenesené späť do vedeckého tímu.

Užitočné zaťaženie PowerCell bude podľa Rothschilda znamenať prvý syntetický biologický experiment, ktorý sa dostane na obežnú dráhu. Stanovenie účinkov gravitácie bude malým, ale užitočným krokom k vývoju systému podpory života založeného na mikroorganizmoch, hovorí. Ak gravitácia nerobí rozdiel, „potom sa o to nemusíme starať. Môžeme pokračovať v plánovaní na mieste vpred. Ale ak áno, mali by sme to vedieť hneď teraz, keďže plánujeme preniesť biológiu a syntetickú biológiu z planéty.“

*Tento článok bol aktualizovaný 2. marca 2017. V článku sa pôvodne uvádzalo, že väčšina siníc “ c prežiť a množiť sa bez akéhokoľvek zdroja uhlíka.' Toto vyhlásenie bolo zmenené tak, aby naznačovalo, že väčšina cyanobaktérií môže prežiť bez akéhokoľvek „organického“ zdroja uhlíka. Ako nám povedal Ivan Glaucio Paulino-Lima: „To, čo sinice robia prostredníctvom fotosyntézy, je [transformácia] anorganickej formy uhlíka (CO2) na organickú formu uhlíka (glukóza), ktorá sa potom môže premeniť na iné cukry a využiť v iných organizmy.”