Биотехнологии для Красной планеты.

НАСА в сотрудничестве с другими ведущими космическими агентствами планирует отправить человека на Марс в начале 2030-х годов, в то время как такие компании, как SpaceX, имеют шанс сделать это еще раньше. Астронавтам на Марсе понадобится кислород, вода, пища и другие ресурсы. Они должны будут производиться на Марсе, поскольку в долгосрочной перспективе импортировать их с Земли будет непрактично. В «Передовой микробиологии» ученые впервые продемонстрировали, что цианобактерии Анабены можно выращивать используя только марсианские газы, воду и другие питательные веществе при низком давлении. Это значительно облегчает создание стабильных биологических систем жизнеобеспечения.

«Итак, цианобактерии могут использовать газы, содержащиеся в марсианской атмосфере при низком атмосферном давлении, в качестве источника углерода и азота. В этих условиях цианобактерии сохраняют свою способность расти в воде, содержащей только марсианскую пыль, и могут по-прежнему использоваться для питания других микробов. Это могло бы помочь сделать долгосрочные полеты на Марс стабильными», — говорит ведущий автор доктор Сиприен Версё, астробиолог, возглавляющий лабораторию прикладной космической микробиологии в Центре прикладной космической технологии и микрогравитации (ZARM) Бременского университета.

Атмосфера с низким давлением.

Цианобактерии издавна выступают в качестве кандидатов на включение в системы биологического жизнеобеспечения программы космических полетов, поскольку все виды вырабатывают кислород путем фотосинтеза, а некоторые из них могут связывать атмосферный азот с питательными веществами. Трудность заключается в том, что они не могут расти непосредственно в марсианской атмосфере, где общее давление составляет менее 1% от земного. Это слишком мало для присутствия жидкой воды, в то время как парциальное давление газа азота (0,2-0,3 гПа) слишком низкое для их метаболизма. Но воссоздание земной атмосферы будет дорогостоящим. Поэтому исследователи искали промежуточное звено: атмосферу, близкую к Марсу, которая бы позволяла цианобактериям хорошо расти.

Чтобы создать подходящие атмосферные условия, Версо и его коллеги разработали биореактор Atmos («Атмосферный тестер для органических систем, связанных с Марсом»), в котором цианобактерии могут выращиваться в искусственной атмосфере при низком давлении.

Все, что попадает в реактор, должно происходить с самой Красной планеты: кроме азота и углекислого газа — веществ, которыми изобилует марсианская атмосфера, и воды, которую можно добывать из льда, питательные вещества должны поступать из «реголита»- пыли, покрывающей поверхность красной планеты и луны. Доказано, что марсианский реголит богат такими питательными веществами, как фосфор, сера и кальций.

Анабена: универсальные цианобактерии, выращенные на марсианской пыли.

Atmos включает в себя девять сосудов объемом по литру каждый, изготовленных из стекла и стали, каждый из которых стерилен, обладает системой подогрева, регулировкой давления и находится под контролем компьютера.  Авторы выбрали штамм цианобактерий именуемых  Anabaena sp. PCC 7938, потому что предварительные испытания показали они хорошо воспримут марсианские ресурсы и способны стать основой для выращивания других организмов. Было продемонстрированно, что близкородственные виды съедобны, пригодны для генной инженерии и способны формировать специализированные дремлющие клетки, чтобы выжить в суровых условиях.

Версо и его коллеги впервые вырастили анабену за 10 дней под смесью 96% азота и 4% углекислого газа при давлении в 100 гПа — в десятки раз меньшем, чем на Земле. Цианобактерии росли так же, как и в земной атмосфере. Затем они протестировали комбинацию модифицированной атмосферы с реголитом. Поскольку ни один реголит никогда не привозился с Марса, для создания среды роста они использовали субстрат, разработанный Университетом Центральной Флориды (называемый «Mars Global Simulant»). В качестве контроля Анабена выращивалась в стандартной среде, либо на окружающем воздухе, либо в той же искусственной атмосфере низкого давления.

Цианобактерии хорошо росли при любых условиях, в том числе в реголите, в смеси, богатой азотом и углекислым газом, при низком давлении. Как и ожидалось, они росли быстрее на стандартной среде, чем на «Марс Глобал Симулянт», в любой атмосфере. Но это все же большой успех: в то время как стандартная среда должна быть привезена с Земли, реголит повсеместно распространен на Марсе. «Мы хотим использовать в качестве питательных ресурсов, доступные на Марсе, и только их», — говорит Версё.

Высушенная биомасса Anabaena была измельчена, взвешена в стерильной воде, отфильтрована и успешно использована в качестве субстрата для выращивания бактерий E. coli, доказывая, что сахара, аминокислоты и другие питательные вещества могут быть извлечены из них для кормления других бактерий: возможно, менее выносливых, но являющихся испытанными инструментами для биотехнологий. Например, кишечную палочку легче, чем анабену, преобразовать в нечто, подходящее для производства на Марсе некоторых пищевых продуктов и лекарств, которые Анабена не может производить.

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

Дальнейшие усовершенствования.

Эти результаты являются важным шагом вперед. Но авторы предупреждают, что необходимы дальнейшие исследования: «Мы хотим перейти от этого доказательства концепции к системе, которая может быть эффективно использована на Марсе», — говорит Версё. Они предлагают точно настроить сочетание давления, углекислого газа и азота, оптимальное для роста, одновременно испытывая другие разновидности цианобактерий, возможно, генетически более адаптированных для космических полетов. Также необходимо разработать систему культивации для Марса:

«Наш биореактор, Атмос, не является той системой выращивания, которую мы бы использовали на Марсе: он предназначен для симуляции на Земле условий, которые там являются естественными. Наши результаты помогут ориентироваться при проектировании системы выращивания культур на Марсе». Например, более низкое давление означает, что мы сможем разработать более легкую конструкцию, которую легче транспортировать, так как она не должна будет выдерживать большие различия между внутренними и внешними условиями», — заключает Версё.

А как вы представляете себе марсианские фермы? Уж точно не в виде пастбищ бактерий, мы думаем. В прочем, до них еще далеко, а владельцы как больших, так и маленьких ферм должны знать, что для них создана отдельная доменная зона — .farm