Синтетическая биология предлагает набор инструментов для создания микробов, способных выживать в открытом космосе, и для производства биоматериалов, необходимых астронавтам в длительных полетах.
Летом 2013 года марсоход Curiosity отпраздновал свой первый день рождения внутри пыльного марсианского кратера, расположенного более чем в 100 миллионах километров от дома. Чтобы отметить годичную годовщину приземления, ученые запрограммировали Curiosity вибрировать на частотах, соответствующих нотам песни “Happy Birthday”. Это одинокое празднование дня рождения вызвало бурю сочувствия и комментариев: “Когда люди высадятся на Марсе, ему станет лучше...обнимите этот марсоход!”. С тех пор прошло более десяти лет, но космические агентства до сих пор не запустили миссию с экипажем на Красную планету.
“Причина, по которой никто не отправлял человека на Марс, заключается в том, что невероятно сложно даже рассчитать, как доставить достаточно припасов для поддержания жизни человека в течение очень долгого путешествия”, - говорит Эрика Дебенедиктис, молекулярный биолог и генеральный директор Pioneer Labs, компании, занимающейся разработкой биотехнологий для космических полетов. Полет туда и обратно у астронавтов, отправляющихся на Марс, занял бы почти три года, а это слишком долго для того, чтобы хватило еды и медикаментов, и членам экипажа пришлось бы готовить их самостоятельно.
Ученые попытались решить эту проблему, используя инновационный подход. “Когда я училась в аспирантуре, человек, под руководством которого я писала диссертацию, всегда говорил: ”Ты должна подумать, в чем проблема, а затем вспомнить, что биология уже решила эту проблему", - вспоминает Фрэнсис Донован, биохимик из исследовательского центра НАСА. “Тебе просто нужно найти биологию, которая решит эту проблему”.
В течение последних нескольких лет исследователи, такие как Донован и Дебенедиктис, занимались именно этим. Они обратились к микробам, биохимия которых позволяет им производить питательные вещества и лекарства, как к способу обеспечения длительных космических путешествий. Однако эти организмы и их биохимические пути эволюционировали на Земле, поэтому их необходимо генетически модифицировать для биопроизводства материалов в условиях микрогравитации и повышенной радиации. Технологии в области синтетической биологии дают ученым возможность перепроектировать микроорганизмы и адаптировать их к внеземным потребностям человека.
В настоящее время космонавты берут с собой в полеты стерилизованные и упакованные продукты питания. Но такой подход к многолетним миссиям по исследованию дальнего космоса создает определенные проблемы: хотя продукты могут иметь длительный срок хранения, содержащиеся в них жизненно важные питательные вещества со временем разлагаются. Кроме того, по оценкам исследователей, экипажу из шести человек для миссии на Марс потребуется более 10 тонн продуктов питания. При этом доставка всего одного килограмма груза в космос обходится от 2700 до 54 000 долларов. Поэтому ученые работают над заменой стратегии «брать» стратегией «производить», при которой космонавты могут производить питательные вещества в космосе, а не перевозить все свои запасы с Земли.
Чтобы удовлетворить эту потребность, Донован и ее коллеги тестируют подход, похожий на производство ферментированных продуктов, таких как йогурт и кефир. «Это древний процесс, который люди используют для производства и сохранения питательных веществ для себя, — говорит Донован. — И мы делаем это в явно нестерильных условиях последние 10 000 лет». В своем проекте под названием BioNutrients исследователи использовали CRISPR-Cas9 для модификации генов съедобных штаммов дрожжей таким образом, чтобы они производили бета-каротин и зеаксантин, антиоксиданты, обычно содержащиеся в овощах. В 2019 году они запустили модифицированные штаммы дрожжей в космос и космонавты на борту Международной космической станции тестируют срок хранения микробов и их способность производить питательные вещества с течением времени. Эксперименты требуют от членов экипажа восстановления дегидратированных дрожжей стерильной водой, их инкубации и последующего замораживания для возвращения на Землю для тестирования.
После того как космонавты достаточно протестируют дрожжи, Донован надеется, что она и ее группа смогут отправить дегидратированные гранулы в космос и космонавты смогут пользоваться питательными веществами, такими как рибофлавин, фолат, витамин K или даже кофеин, «потому что мы, вероятно, не будем летать с кофейными деревьями в ближайшее время», — сказала она. Хотя сейчас они используют материалы для поддержки роста микроорганизмов в космосе с Земли, ученые надеются, что в конечном итоге космонавты смогут использовать местные ресурсы, доступные на месте миссии, что еще больше снизит затраты на путешествие. Для исследования Марса это означает использование атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа, азота и аргона.
Ученые из Исследовательского центра НАСА разрабатывают технологию преобразования углекислого газа в органические соединения, которые могут служить средой для культивирования микроорганизмов для биопроизводства. «Таким образом, вы генетически модифицируете [микроорганизмы] в двух направлениях», — поясняет Донован. «Во-первых, чтобы они потребляли очень простой метаболит, а во-вторых, чтобы они по-прежнему производили что-то интересное на другом конце». Но ученые столкнулись с другой проблемой: необходимо было убедиться, что модифицированные микробы смогут выдержать суровые условия Красной планеты.
«Марс — это сочетание пяти вещей, которые мы обычно используем для уничтожения микробов», — говорит Дебенедиктис. Марсианская почва содержит перхлорат, который на Земле используется в качестве дезинфектанта. Окружающая среда планеты очень сухая и холодная, с температурами, опускающимися до -153 °C. Атмосфера там богата ионами металлов, которые на Земле действуют как антимикробные вещества, и она настолько разрежена, что не может защитить поверхность от радиации. По оценкам ученых, из-за этого космонавт на Марсе получит дозу радиации, в 700 раз превышающую дозу на Земле.
Чтобы создать жизнь на Марсе, Дебенедиктис и ее коллеги обратили внимание на микроорганизмы на Земле, которые приспособились к жизни в экстремальных условиях. «Мы знаем о микроорганизмах на Земле, которые могут выдерживать каждое из этих условий по отдельности», — отметила она. Поэтому они искали такие экстремофилы, в том числе грибок, впервые обнаруженный в Чернобыле, который может выдерживать радиацию, вид водорослей, растущий в снегу, и бактерию, растущую в перхлорате. «Работа заключается в том, чтобы выяснить, как объединить эти свойства в одном организме, который можно будет реально использовать», — пояснила Дебенедиктис.
В прошлом году исследователи проанализировали данные, собранные марсианскими посадочными модулями, чтобы охарактеризовать состав марсианского грунта и создать питательную среду для его имитации. Сейчас они занимаются созданием микроорганизмов, способных процветать в этих условиях. «По сути, нам нужно взять этот набор микробов, с которым мы умеем работать, для производства, и усовершенствовать их, чтобы они не погибли на Марсе», — рассказала Дебенедиктис. Для этого она и ее коллеги используют метод, называемый направленной эволюцией. Этот подход имитирует естественный отбор, чтобы направить белки, метаболические реакции или нуклеиновые кислоты к определенной цели — в данном случае, к выживанию на Марсе. Их подход заключается в мутации генов микробов, отборе вариантов, демонстрирующих желаемые характеристики, и повторной модификациям, пока микробы не продемонстрируют все необходимые функции. «Мы можем развивать микробы в направлении этой цели — процветания на Марсе — гораздо быстрее, чем они когда-либо могли бы развиваться в природе», — утверждает Дебенедиктис.
На снимке, сделанном перед полетом, показаны пакеты с йогуртом BioNutrients-2 на подносе после 24-часовой инкубации. Полностью желтый цвет содержимого пакета указывает на то, что йогурт полностью созрел. Фото: NASA.
Однако она отметила, что создание микроорганизмов, способных выживать в условиях космоса и производить необходимые материалы, является лишь первым шагом. «После того как вы получили организмы, следующей проблемой становится отсутствие устройств, которые можно использовать для их выращивания в космосе». Донован и ее группа нашли простое решение этой проблемы. Они используют фторированные этиленпропиленовые пакеты, содержащие дегидратированную культуральную среду. Специальный порт позволяет космонавтам добавлять воду и восстанавливать компоненты, что является реальным способом культивирования микроорганизмов в космосе.
Реагенты для молекулярной биологии должны храниться в определенных условиях, чтобы сохранить свою стабильность. Это требует постоянного электропитания, что часто ограничивает использование таких химических веществ для экспериментов в космосе. Исследователи в этой области утверждают, что инвестиции в разработку простых, но надежных реагентов, таких как стабильные сухие химические вещества, ускорят прогресс в этой области. Тем не менее, Донован считает, что разработка CRISPR-Cas9 и достижения в области секвенирования и других технологий значительно продвинули эту область вперед.
«[Эти технологии] позволяют нам изучать экстремофилы и собирать эти новые функции из природного мира, которые раньше было трудно получить и понять», — сказала она. Она добавила, что другие ученые используют машинное обучение для анализа данных о микроорганизмах, полученных при экстремальных условиях. «[Эти технологии] позволяют нам изучать экстремофилы и собирать эти новые функции из природного мира, которые раньше было трудно получить и понять», — сказала она. Донован считает, что такие достижения в области синтетической биологии «действительно взорвут эту область». Дебенедиктис соглашается с этим и отмечает, что эта область находится на захватывающем этапе развития, поскольку в ближайшие несколько лет появятся частные космические станции. «В результате, проведение испытаний в реальных условиях космоса станет намного дешевле».
Достижения в области синтетической биологии позволят решить некоторые сложные проблемы, связанные с отправкой людей в длительные миссии, такие как полеты на Марс. Такой прогресс, в частности, позволил НАСА объявить о пилотируемой миссии на Красную планету в 2030-х годах. Однако, поскольку до этого остается более пяти лет, Curiosity придется подождать пока его смогут обнять люди.
