Статья первоначально опубликована на сайте labiotech.eu

По мере подготовки к дальним космическим полётам и жизни на Марсе биотехнологии могут стать единственным решением, которое позволит космическим кораблям перестать зависеть от постоянных поставок с Земли.

«Нам, людям, необходим постоянный запас кислорода. Нам нужен постоянный доступ к питательной пище, чистой воде, а также безопасная и надёжная система удаления отходов», — рассказала итальянский астронавт Саманта Кристофоретти во время прямой трансляции с Международной космической станции (МКС).

На МКС большая часть используемой воды перерабатывается: её получают из влаги, содержащейся в воздухе, а также из мочи астронавтов. Станция также способна производить часть необходимого кислорода из воды. Однако для поддержания жизни экипажа по-прежнему необходимы регулярные поставки кислорода, воды и продуктов питания с Земли.

«Но что произойдёт, если люди захотят отправиться дальше, в глубокий космос, далеко от Земли, где мы уже не сможем рассчитывать на постоянное пополнение запасов?» — задаётся вопросом Кристофоретти.

Создание базы на Луне и первая пилотируемая экспедиция на Марс входят в планы нескольких стран мира, а также частных предпринимателей. Джефф Безос уже разрабатывает планы создания лунной колонии, а Илон Маск стремится организовать полёты людей на Марс.

«Для длительной космической миссии необходимо взять с собой большое количество воды, продуктов питания и кислорода, — рассказал Кристоф Лассер, координатор научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Европейского космического агентства (ESA). — Для полёта на Марс потребуется около 30 тонн. Сегодня это слишком большая масса для ракет-носителей. Поэтому нам необходимо научиться перерабатывать всё необходимое непосредственно во время миссии».

Учёные по всему миру работают над решением этих задач. Их цель — воспроизвести естественный круговорот ресурсов, существующий на Земле. Сделать это предполагается с помощью биологических процессов.

Поддержание здоровья астронавтов

По мере увеличения продолжительности космических миссий необходимо учитывать влияние длительного пребывания вдали от Земли на организм человека. Хорошо известно, что в условиях невесомости мышцы и кости даже хорошо подготовленных астронавтов ослабевают всего за шесть месяцев.

Чтобы противодействовать этому, астронавты поддерживают физическую активность во время пребывания на орбите. Тем не менее после возвращения на Землю сохраняется риск травм костей и мышц. По мере освоения более дальнего космоса корабли должны будут располагать средствами для оказания медицинской помощи членам экипажа.

«После продолжительных космических миссий потеря мышечной и костной массы, воспалительные реакции и повреждения, вызванные излучением, считаются одними из основных проблем и угроз для здоровья астронавтов», — рассказал Арик Айзенкрафт, руководитель проектов в области национальной безопасности израильской компании Pluristem.

Компания разрабатывает методы лечения на основе плацентарных клеток для различных заболеваний. Pluristem начала сотрудничество с NASA с целью проверить возможность применения такой клеточной терапии для лечения нарушений здоровья, вызванных космическими полётами.

Сначала компания исследует, способна ли эта терапия предотвращать повреждения организма животных в условиях пониженной гравитации. Среди задач исследования — определить, как невесомость влияет на рост клеток, обеспечить возможность их безопасного замораживания и размораживания, а также разработать практичный способ применения терапии в космосе.

«Если будет доказано, что наша технология способна предотвращать и уменьшать такие повреждения, это может оказать огромное влияние на будущие космические полёты, позволяя сохранять и укреплять здоровье астронавтов», — отметил Айзенкрафт.

В более отдалённой перспективе астронавты, возможно, смогут самостоятельно печатать необходимые ткани и органы. Российская компания 3D Bioprinting Solutions первой осуществила трёхмерную печать живой ткани в космосе. В декабре российское космическое агентство отправило на МКС один из космических биопринтеров компании. С помощью оборудования удалось напечатать конструкты щитовидной железы мыши и хрящевой ткани человека.

Russian astronaut Oleg Kononenko with the ‘Organaut’ bioprinter at the ISS

Оказалось, что трёхмерная печать в космосе имеет ряд преимуществ. Поскольку процесс не ограничен воздействием земной гравитации, печать можно осуществлять одновременно со всех сторон, используя магнитные и акустические поля для удержания клеток в нужном положении.

«Это похоже на формирование снежного кома», — рассказал Юсеф Хесуани, сооснователь 3D Bioprinting Solutions.

Биопринтер будет находиться на МКС в течение пяти лет, а компания продолжит отправлять биологические материалы для проведения экспериментов по биопечати в космосе. Следующий эксперимент запланирован на лето.

«На следующих этапах мы хотим изучить функциональность этих конструктов. Если речь идёт о ткани щитовидной железы, необходимо понять, способна ли она вырабатывать гормоны», — отметил Хесуани.

На данном этапе компания сосредоточится на создании всё более сложных тканей, размер которых пока ограничен несколькими миллиметрами. В будущем для выращивания более крупных тканей потребуются специализированные биореакторы, способные поддерживать жизнеспособность клеток во время пребывания на орбите.

По мнению Хесуани, дальнейшее развитие подобных исследований потребует международного научного сотрудничества и использования оборудования таких организаций, как NASA, ESA и Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). 

Сейчас МКС полностью зависит от поставок продовольствия с Земли. Для обеспечения длительных космических полётов необходимо научиться выращивать продукты питания непосредственно в космосе.

«Мы будем отправлять в космос больше грузов и людей, чем когда-либо прежде, — рассказал Ричард Баркер, исследователь из University of Wisconsin–Madison. — Если мы сможем выращивать для них продукты питания на орбите, освоение космоса станет более устойчивым и доступным для большего числа людей».

Баркер сотрудничает с несколькими проектами NASA, в рамках которых овощные культуры доставляли в космос и выращивали во время космических миссий. В частности, он изучает поведение растений в условиях воздействия факторов космической среды.

Его исследовательская группа установила, что пребывание в космосе активирует у растений гены, которые на Земле отвечают на воздействие высокой температуры и избыточного количества воды. Выявление этих генов позволило исследователям с помощью методов генной инженерии адаптировать растения для более эффективного роста в космосе.

Однако конечная цель заключается в том, чтобы выращивать растения не только на борту космических кораблей. Китай уже проводит испытания, связанные с созданием автономной системы «Лунный дворец» в районе южного полюса Луны, в то время как NASA и Илон Маск рассматривают возможность будущих пилотируемых полётов на Марс.

Подобно герою Мэтта Деймона в фильме «Марсианин» 2015 года, людям, отправившимся на Марс, возможно, придётся выращивать картофель и другие овощи непосредственно на Красной планете. Однако в действительности это может оказаться значительно сложнее, чем показано в фильме. Как отметил Баркер, грунт Марса содержит слишком много солей для нормального роста растений.

Его исследовательская группа изучает технологии генной инженерии, позволяющие сделать растения устойчивыми к повышенной засолённости и засухе — ведь доступной воды в марсианском грунте также крайне мало.

Исследователи проводят эксперименты с Arabidopsis thaliana — резуховидкой Таля, растением семейства капустных, которое широко используется в качестве модельного организма в генетических исследованиях. По словам Баркера, «это лабораторная крыса растительного мира».

Сейчас учёные готовятся проверить разработанный подход на хлопчатнике. В дальнейшем они планируют применить его к листовым овощным культурам, таким как салат-латук, пак-чой и пекинская капуста.

Европейское космическое агентство (ESA) проводит аналогичные исследования по выращиванию растений и производству продуктов питания во время космических миссий. Агентству уже удалось успешно выращивать водоросли для получения таких продуктов, как спирулина. ESA также проводило эксперименты с небольшими растениями Arabidopsis и теперь готовится приступить к выращиванию съедобных культур, включая шпинат, пшеницу и томаты. Первыми планируется выращивать картофель.

В долгосрочной перспективе рацион питания в космосе может не ограничиваться овощами и водорослями. Помимо исследований в области регенеративной медицины, российская компания 3D Bioprinting Solutions планирует первой осуществить биопечать мяса в космосе. Согласно первоначальным планам, эксперимент должен был состояться позднее в том же году.

Многие молодые технологические компании на Земле работают над созданием мяса без выращивания и убоя животных — говядины, свинины, курятины, индейки, тунца и других продуктов.

«Из нескольких тысяч клеток можно получить миллиарды, — объясняет Хесуани. — Поэтому не потребуется постоянно доставлять новые клетки с Земли».

До сих пор создание сложных трёхмерных структур, воспроизводящих структуру мяса, оставалось сложной задачей в земных условиях. В невесомости формирование подобных структур при сохранении жизнеспособности клеток животных может оказаться проще.

В настоящее время часть кислорода на МКС получают из воды посредством химических процессов. Для этого необходимы ценные запасы воды и крупногабаритное оборудование. На Земле кислород образуется благодаря фотосинтезу растений и других живых организмов — так почему бы не использовать тот же принцип в космосе?

Кристоф Лассер руководит проектом Европейского космического агентства (ESA), который на протяжении последних 30 лет исследует возможности производства и переработки кислорода, воды и продуктов питания во время космических миссий с использованием биологических процессов.

«Мы провели несколько экспериментов на космической станции и доказали, что можем выращивать водоросли и перерабатывать углекислый газ в кислород, — рассказал Лассер. — Мы можем с высокой точностью регулировать объём производства кислорода в зависимости от его потребления».

В рамках проекта MELiSSA было доказано, что с помощью водорослей можно перерабатывать почти 100 % доступного углекислого газа. Учёные ESA также исследуют скорость роста водорослей в космосе по сравнению с земными условиями. Чем быстрее растут водоросли, тем меньшее их количество необходимо для производства кислорода.

«В космосе масса имеет критическое значение. Мы стремимся сделать всё оборудование как можно меньше и легче, — объясняет Лассер. — Есть огромная разница между системой массой 100 и 300 кг, необходимой для переработки кислорода».

Чистая вода также имеет жизненно важное значение. На МКС до 80 % воды повторно получают из влаги, содержащейся в воздухе, а также из пота и мочи астронавтов. Тем не менее экипаж по-прежнему зависит от регулярных поставок воды с Земли.

«Вода — ценный ресурс в космосе: каждый член экипажа использует от 4 до 6 литров в день, а доставка одного килограмма груза на орбиту обходится в 50 000 долларов», — рассказал Томас Андерсен, генеральный директор датской аэрокосмической компании Danish Aerospace Company (DAC).

DAC совместно с датской компанией Aquaporin работает над созданием более эффективного способа очистки воды. Используя бактериальный белок, способный переносить молекулы воды через мембрану, Aquaporin разработала более быстрый и эффективный метод очистки.

«Кроме того, мембрана Aquaporin способна удалять DSMD — остаточное вещество из пластиковых трубок, с удалением которого существующая система переработки воды NASA на Международной космической станции испытывает трудности», — рассказал Андерсен.

После первоначальных испытаний, подтвердивших работоспособность технологии в космосе, DAC и Aquaporin заключили договор с ESA для её дальнейшего развития.

Также важно найти способы переработки других видов отходов.

«Для переработки отходов бактерии очень эффективны благодаря своему разнообразию и способности приспосабливаться к различным типам отходов. Добиться этого с помощью другой технологии было бы сложно», — отметил Лассер.

Конечная цель — создать единую систему жизнеобеспечения, способную перерабатывать все необходимые ресурсы без поступления извне. ESA испытывает такую систему, проверяя возможность длительного поддержания жизнедеятельности лабораторных крыс без взаимодействия с внешней средой.

Опытная установка находится в Барселоне, где Лассер и его команда планировали представить проект Педро Дуке — бывшему астронавту ESA, который на момент публикации статьи занимал должность министра науки Испании.

Scientist operating the Melissa life-support pilot plant in Barcelona

К бесконечности и дальше

«Конечная цель — стать как можно более независимыми и получить возможность длительное время находиться в космосе, не полагаясь на поставки с Земли, — рассказал Лассер. — Но движение к этой цели будет постепенным».

Одним из первых шагов на этом пути должно было стать создание NASA станции Deep Space Gateway, которую на момент публикации статьи планировалось вывести на орбиту вокруг Луны к 2024 году.

«Это чрезвычайно интересное место, поскольку станция будет находиться за пределами радиационных поясов Ван Аллена — области магнитосферы Земли, которая защищает нас от космического излучения и солнечного ветра», — рассказал Баркер.

На этой станции NASA планировало создать экспериментальную установку для выращивания растений, чтобы исследовать, как живые организмы будут существовать без естественной защиты Земли.

«На мой взгляд, растения лучше всего подходят в качестве раннего индикатора неблагоприятных условий, — отметил Баркер. — Мы работаем над автоматизированными методами выращивания растений. Наша цель — создать полуавтоматическую систему, которая сможет обеспечивать их рост в условиях дальнего космоса».

Эти эксперименты помогут подготовиться к более длительному пребыванию вдали от Земли, которое, по мнению специалистов, может стать реальностью уже в обозримом будущем.

«Примерно через десять лет у нас появится Deep Space Gateway — мои оценки несколько более консервативны, чем у аэрокосмических компаний, — а ещё примерно через десять лет, вероятно, будет создана база на Луне. Илон Маск считает, что примерно через двадцать лет мы сможем отправлять людей на Луну, — рассказал Баркер, добавив: — Посмотрим».

Очевидно одно: стремление человечества осваивать всё более отдалённые области космоса продолжает развиваться. Биотехнологии могут стать одним из ключевых решений, необходимых для обеспечения длительных космических миссий и превращения того, что когда-то казалось научной фантастикой, в реальность.