Модификация бактерий для жизни на Марсе и преобразования его сырья в полезные продукты может проложить путь для пилотируемых миссий на красную планету.
Сегодня Марс непригоден для жизни человека и большинства других форм жизни, поэтому, чтобы люди в конечном итоге посетили красную планету, им пришлось бы путешествовать со всем необходимым: едой, оборудованием и жильем. Однако транспортировка этих материалов увеличила бы и без того дорогостоящие космические миссии. Эрика ДеБенедиктис, специалист по синтетической биологии, убедилась в этом на собственном опыте, будучи студенткой и проводя исследования в Лаборатории реактивного движения НАСА, помогая проектировать космические миссии. После извилистой карьеры в области биологии и белковой инженерии она вернулась к своему интересу к внедрению биологии в космос, «потому что именно этого не хватает, когда покидаешь Землю», — говорит она. Но ее план состоял не в том, чтобы отправить сырье на ракете к Марсу. Вместо этого ДеБенедиктис поставила перед собой задачу разработать микроорганизмы, способные терраформировать пыльную планету в среду обитания, пригодную для жизни. Она обнаружила, что в академической среде трудно привлечь всех междисциплинарных специалистов, необходимых для такого амбициозного проекта, поэтому в 2024 году она стала соучредителем Pioneer Labs, некоммерческой организации, занимающейся разработкой микроорганизмов, способных превратить Марс в дом вдали от дома.
Хотя сегодня Марс представляет собой пустыню из пыли, камней и замерзших ледников, этот марсианский реголит полон многих ключевых элементов, необходимых для жизни, включая фосфор и связанный азот. «По земным меркам, он практически предварительно удобрен», — отмечает ДеБенедиктис. Зная, что на Марсе есть все необходимые для жизни ресурсы, первоочередной задачей исследователей стало выяснение того, как разложить целую экосистему на простейшие составляющие, которые можно было бы воспроизвести с помощью минимального количества генетически модифицированных микроорганизмов. Они понимали, что основными требованиями будут создание плодородной, нетоксичной почвы, убежища для живых организмов, способа организации пищевой цепи для более крупных организмов, позволяющего извлекать питательные вещества, а также кислорода для фотосинтеза и дыхания человека. Учитывая эти потребности, ученые приступили к разработке генетически модифицированных микроорганизмов, способных достичь этих целей на Марсе.
Команда использовала имеющуюся информацию о химическом составе марсианского реголита, чтобы воссоздать его в лаборатории, а затем внедрить земные микроорганизмы в эту инопланетную среду. Первая цель исследователей заключалась в использовании микроорганизмов для производства универсального биопластика, который служил бы материалом для строительства жилищ из марсианской почвы. Многие бактерии естественным образом производят этот тип пластика, поэтому задача ученых состояла в том, чтобы найти те, которые могли бы расти в условиях, подобных марсианским. «Мы обнаружили некоторые, которые плохо росли, а затем провели генную инженерию и эволюцию, чтобы улучшить их», — рассказала ДеБенедиктис.
После проверки 16 потенциальных микроорганизмов исследователи выбрали Cupriavidus necator как лучшего кандидата. Ученые из Pioneer Labs модифицировали бактерию, чтобы она лучше росла и производила биопластик в марсианских условиях. Недавно команда опубликовала в препринте результаты своего первого успешного проекта по терраформированию. «Это научное достижение, потому что оно показывает, что жизнь может получать все необходимые питательные вещества на Марсе, а также, с практической точки зрения, это полезная инженерная технология, которую мы могли бы использовать для подготовки к первой пилотируемой миссии и строительства домов для людей», — сказала ДеБенедиктис. Команда также занимается созданием другой бактерии, которая, как они надеются, поможет удалить токсичный перхлорат из марсианской почвы. «У нас в лаборатории есть бактерии, которые, похоже, неплохо справляются с его удалением», — рассказала она, добавив, что эти микробы необходимо будет дополнительно модифицировать, чтобы обезвредить это смертельно опасное соединение в концентрациях, обнаруженных на Марсе.
Помимо определения способов воссоздания экосистемы из отдельных организмов, ДеБенедиктис отметила, что еще одной проблемой стало создание микроорганизмов, способных работать в автономных процессах, таких как биореакторы с роботизированным управлением, для производства пригодного для использования биопластика или других материалов. «У нас было много моментов, когда мы думали: „Как регулировать pH в биореакторе на Марсе? Как контролировать уровень pH?“» — вспоминает она. В отличие от Земли, где кислота или щелочь доступны по доставке, «на Марсе где вы будете покупать кислоту и щелочь? Вы должны производить их сами».
В настоящее время ДеБенедиктис и ее группа планируют отправить адаптированные к Марсу микроорганизмы на красную планету с помощью роботов, которые смогут устанавливать и запускать биореакторы для каждого типа бактерий. Это позволит создать первоначальную среду обитания для первой пилотируемой миссии на Марс, которую, в случае успеха, можно будет расширить для поддержки более крупных поселений. «Это отличный способ превратить терраформирование — долгосрочное начинание — в нечто, что можно быстро получить от него большую немедленную выгоду в течение нескольких лет, одновременно развивая долгосрочную концепцию», — считает ДеБенедиктис.
Исследования, направленные на создание условий для жизни в космосе, также способствуют развитию земных технологий. Предыдущие попытки исследователей разработать фермент для метаболизма галогенов привели к новому методу производства антимикробных пептидов и еще не опубликованному процессу получения фиолетового красителя, который до этого требовал измельчения морских улиток. В своем текущем проекте команда, по сути, изучает, как создать полностью углеродно-нейтральную цивилизацию, поскольку на Марсе нет нефти, которую можно было бы использовать. Эти усилия также могут способствовать достижению аналогичных целей на Земле. «Вполне возможно, что мы найдем причину, по которой терраформирование Марса окажется невозможным. Но очень здорово и захватывающе работать в этой области и результаты могут быть просто потрясающими».
