Бактерии-космонавты: вместе к далеким планетам

Человек скоро отправится к Марсу, а затем быть может и к более далеким планетам. Для этого мы проектируем ракеты и космические корабли. Рассчитываем выгодные траектории полета и посылаем автоматические зонды в поиске удобных мест для посадки и строительства баз. Но пока этого мало, чтобы отправиться к Марсу уже завтра.

Мы все следим за громкими марсианскими проектами. Но, как правило, упускаем из виду работу ученых, результаты которой помогут решить многие задачи необходимые для дальних космических полетов. Это сейчас не о тех ученых, которые проектируют космические аппараты. Это о тех, кто работает с микроорганизмами, которые должны отправиться к Марсу и дальше вместе с человеком.

Отправятся не в качестве нежелательных попутчиков, или модельных организмов для экспериментов, а с гораздо более важными ролями.

Чей дом МКС?

Микроорганизмы спешат колонизировать все вокруг на Земле, не обращая внимания на тяжесть условий. Они умеют приспосабливаться. Орбитальные станции давно ими были колонизированы. Экипажи приходят и уходят, а колонии микроорганизмов остаются. Живут и эволюционируют. Конечно, Международная космическая станция, остается под контролем человека, но для своих невидимых глазу обитателей, МКС, и станция «Мир» ранее, стали настоящим домом.

Первые микроорганизмы впервые отправились в космос 19 августа 1960 года на космическом корабле «Спутник-5» – прототипе корабля «Восток», на котором позже отправится в космос Юрий Гагарин. Этот полет продолжался 25 часов, и на следующий день спускаемый аппарат успешно вернул на землю весь «экипаж». В этот день живые существа впервые вернулись на Землю из орбитального полета.

Правда тогда о безымянных микробах мало кто вспомнил, главные герои полета – собаки Белка и Стрелка. Несколько видов микробов (Escherichia coli, Staphylococcus и Enterobacter aerogenes) были всего лишь одним из пунктов в длинном списке из живых существ и биологических объектов отправленных с Земли в космос. Были среди них также мыши, насекомые, грибковые культуры, растения и семена.

Множество видов микроорганизмов побывало на орбите с тех пор. Условно можно их разделить на две группы: те, что передаются от человека к человеку и экстремофилы. Изучение первых имеет важное значение для благополучия людей на Земле и в будущих космических миссиях, вторых – для понимания физиологического порога для выживания в космическом пространстве.

Космические агентства уже много лет ведут мониторинг микробной среды МКС. В 2021 году генетики Университета Южной Калифорнии (США) и Хайдарабадского университета (Индия) идентифицировали микроорганизмы, которые оказались в пробах, взятых на МКС еще в 2015-2016 годах. Из четырех штаммов бактерий, только один был известен ранее – Methylorubrum rhodesianum, оставшиеся три были отнесены к новым видам. Хотя все они принадлежат одному семейству.

Образец штамма Methylorubrum / © sciencealert.com

Земные сородичи бактерий-космонавтов обитают в почве и пресной воде. Эти бактерии участвуют в процессе фиксации азота, а значит, играют важную роль для роста и развития растений. На борту станции они оказались вероятнее всего в связи с опытами по выращиванию растений. На МКС выращиваются различные виды овощных культур, например, помидоры и салат. Ученые считают, что найденные микроорганизмы, могут быть полезны для будущих миссий к другим планетам. Пищу себе в таких полетах экипажу придется выращивать самостоятельно, все с Земли не возьмешь.

Космонавты уже собрали на станции около тысячи образцов. Все они ожидают отправки на Землю, так что ученых впереди ждут новые открытия.

Не все микроорганизмы попадают в космос целенаправленно в ходе экспериментов. Некоторые попадают вместе с людьми в составе микрофлоры, другие с оборудованием, которое не всегда удается тщательно очистить перед стартом. Попав в новые условия, микроорганизм либо погибает, либо приспосабливается. Выживают только самые стойкие. Они меняют свои пищевые привычки и учатся жить в новой для себя среде. Освоившись, они могут нанести вред оборудованию или даже вызвать заболевания у экипажа. Поэтому, как предупреждают специалисты, в условиях длительного космического полета, необходим оперативный микробиологический контроль.

На этот случай, в ракетно-космической корпорации «Энергия» разработан научный прибор E-Nose, или проще говоря «электронный нос» который должен учуять нежелательных попутчиков. Прибор способен улавливать летучие продукты метаболизма микроорганизмов и позволяет определять количественный уровень бактерий и микроскопических грибов на поверхностях, не отправляя пробы на Землю. В 2012 годы «электронный нос» побывал на орбите, и позволил обнаружить как грибную, так и бактериальную загрязненность некоторых поверхностей МКС.

«Электронный нос» на борту МКС / © NASA

Сейчас уже понятно, куда-бы мы не отправились, микробы полетят с нами. И лучше в качестве помощников, чем незваных гостей.

Незаменимые попутчики

Мы понимаем, что исследовать и осваивать космос дешевле с помощью роботов. Проще запустить автоматическую станцию к далекой планете, чем отправить туда человека. Автомат не просит пить и есть, ему не нужна защита от излучения, такая как нужна человеку. Он потребляет гораздо меньше энергии.

Чтобы отправить к Марсу человека, ему нужно построить целый дом в космосе, «заправить» его водой, едой, кислородом, позаботиться о сборе отходов и их вторичном использовании, и придумать, чем человеку заняться в долгом полете. Чтобы все что нужно, для этого поднять на орбиту и отправить к Марсу, нужны мощные ракеты, много топлива и много времени.

Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в США предложили снизить стоимость экспедиции к Марсу путем использования синтетических бактерий для производства топлива, продуктов питания и лекарств, необходимых в длительных полетах и рассчитали выгоды от такого подхода к задаче.

Так, для полета длительностью 916 дней требуется взять с собой около 10 тонн продовольствия. Но это количество можно существенно уменьшить, если использовать в экспедиции фотосинтезирующие бактерии. В полете сырьем будут служить отходы жизнедеятельности космонавтов, а, по прибытию на Марс, также и продукты распада марсианской атмосферы и почвы, где в изобилии присутствует углекислый газ и азот.

Масса топлива необходимого для полета туда и обратно должна составить две трети массы экспедиционного корабля. Но ведь все необходимое для производства топлива но обратную дорогу можно взять в марсианской атмосфере, из которой бактерии смогут синтезировать метан.

Итого массу топлива можно будет сократить на 56 процентов, запасы продовольствия на 38 процентов, а стройматериалов, для создания базы на планете и вовсе на 85 процентов. Применение синтетической биологии позволит существенно сократить расходы на отправку космических кораблей к Марсу, а значит, сделают такой полет более реальным и близким, считают в Беркли.

Ученые из Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) работают над аппаратом, который позволит утилизировать органические отходы в условиях космического полета. Внутри него поселят колонию микроорганизмов. Бактерии будут не только перерабатывать отходы, но и вырабатывать электричество.

Сейчас специалисты института заняты подбором оптимального состава колонии микроорганизмов, которые бы могли жить в симбиозе своей маленькой экосистемой. Эта работа ведется совместно с ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов». Ранее там уже занимались разработкой биотопливных элементов на основе бактерии рода Shewanella. Предполагается экспериментировать как с существующими организмами, так и создавать генно-модифицированные бактерии с заданными свойствами.

От еды до лекарств

Как видим, можно сказать, что ученые уже «подбирают» экипаж для полета. Кое-кто, из кандидатов в космосе уже побывал. Правда, не совсем удачно. В 2019 году Немецкий аэрокосмический центр (DLR) планировал провести на орбите интересный эксперимент Eu:CROPIS (Euglena and Combined Regenerative Organic-food Production in Space). Переводится название как «Эвглена и комбинированное регенеративное производство органических продуктов питания в космосе». Целью эксперимента было изучение возможности выращивания пищи в космосе на будущих лунных и марсианских станциях.

Его местом была выбрана не МКС: для эксперимента был создан специальный космический аппарат – небольшой мини-спутник, представляющий собой теплицу, а точнее две теплицы. В первой предполагалось имитировать лунную гравитацию в течение первых шести месяцев, во второй марсианскую в течение следующих шести месяцев. Уровень гравитации соответствующий Луне и Марсу был смоделирован путем вращения цилиндрического корпуса космического корабля вокруг его продольной оси.

Выращивать планировалось томаты с использованием синтетической, так как это все-таки эксперимент, мочи. Переработка мочи проблема в космическом полете. Однако в будущем планируется ее использовать для выращивания фруктов и овощей, превращая в легкоусвояемые удобрения. Помочь в этом должна одноклеточная водоросль Euglena Gracilis. Колония этих микроорганизмов должна была защитить созданную на спутнике биосистему от высоких концентраций аммиака, а вырабатываемый водорослями кислород был необходим для превращения мочи в нитраты до тех пор, пока томаты сами не выработают достаточное количество фотосинтетического кислорода.

Космический аппарат Eu:CROPIS/ © DLR

Однако основной эксперимент с Эвгленой не удалось провести из-за проблемы с программным обеспечением. Возможно, его повторят. Зато вспомогательный с цианобактерией Anabaena прошел успешно. В Исследовательском центре Эймса (США) изменили гены этой бактерии таким образом, чтобы она кормила сахарами другие генно-модифицированные бактерии, которые, в свою очередь, должны стать сырьем для пищи, топлива и лекарств.

Чтобы отследить насколько был удачен эксперимент, так как возвращать аппарат на Землю с результатами не предполагалось, вместе с бактерией отправился функциональный попутчик – бактерия Bacillus subtilis. Ее задача – быть индикатором в этом эксперименте, она способна превращать сахарозу, полученную от Anabaena, в красный пигмент. Специальный датчик должен был зафиксировать изменения цвета, и передать данные на Землю, что выступило бы доказательством, что бактерия хорошо функционирует в условиях космоса. Сообщается, что эксперимент прошел успешно и сгенерировал большой объем данных.

На самом деле, множество исследователей возлагают надежды на цианобактерии. Напомним, кислород в атмосфере нашей планеты появился благодаря именно их деятельности.

Исследователи из Бременского университета создали биореактор, который должен стать незаменимым подспорьем для марсианских колонистов. Он вырабатывает кислород и питательные вещества из сырья, которое можно найти на Марсе, а внутри него, уже известная нам, Anabaena.

В биореакторе под названием Atmos (в нем создана атмосфера из «марсианских» газов) цианобактерии штамма Anabaena sp. PCC 7938 имеющего длинный список достоинств. С одной стороны эти бактерии способны перенести суровые условия космического перелета, с другой – Anabaena может усваивать газообразный азот и переводить его в формы, доступные другим организмам, то есть вводить его в пищевую цепь.

Подобные этому биореакторы обеспечат марсианских колонистов кислородом и пищей / © frontiersin.org

Чтобы было понятно, Anabaena близкие родственники цианобактерии рода Arthrospira, которые издревле употребляются человеком в пищу. Представители рода Arthrospira культивируются по всему миру. Они используются в качестве пищевой добавки и самостоятельного продукта. Продаются в форме таблеток, хлопьев и порошка, а также в качестве кормовой добавки при разведении рыб и в птицеводстве. А известна Arthrospira под коммерческим названием «Спирулина». Ученые предполагают таким способом использовать и цианобактерии рода Anabaena, немного подкорректировав их геномом.

Опыты подтвердили, что штамм Anabaena sp. PCC 7938 хорошо размножается в биореакторе, а значит, может послужить источником органики и кислорода для будущих колонистов Красной планеты.
Исследователи также продемонстрировали, что полученную биомассу можно использовать для выращивания бактерий Escherichia coli – излюбленного объекта работы генных инженеров. Эти генетически модифицированные бактерии могут быть использованы для производства множества необходимых марсианским колонистам веществ и лекарств, в частности.

Однако, до Марса еще нужно долететь, не заболев, поэтому лекарства нам могут пригодиться на корабле. Мы можем рассчитать, сколько нам понадобится еды для экспедиции на Марс, но, сколько нам понадобится медикаментов сказать сложнее. Мы не можем предположить, как часто космонавты будут болеть, и главное чем. Что если, в полете космонавты столкнутся с неизвестными ранее болезнями или известные проявятся с новой не известной ранее стороны.

Кроме того, как говорит профессор фармакологии Университета Южной Калифорнии Клэй Ванг, в космосе многие лекарства приходят в негодность быстрее, чем на Земле. Если отправляться в длительный космический полет выращивать лекарства придется в пути на корабле.

В лаборатории университета работают над тем, чтобы превратить грибок Aspergillus nidulans, а возможно и другие грибы, в фабрики, способные производить необходимые космонавтам лекарства. «Генетический анализ показывает, что этот грибок может производить около 40 полезных молекул, в том числе и лекарство от остеопороза, одной из главных угроз для здоровья астронавтов», – заявляет Ванг.

В 2016 году в рамках своих исследований Ванг совместно с NASA отправил несколько различных штаммов грибка Aspergillus nidulans на МКС. В исследование были включены один штамм, так называемого, дикого типа и три мутантных штамма, два из которых были генетически изменены для увеличения производства вторичных метаболитов.

Высокий уровень фонового излучения и жизнь в условиях почти полного отсутствия гравитации должны были создать стрессовую ситуацию для бактерии и заставить Aspergillus nidulans производить те молекулы, которые этот грибок не способен создать в более благоприятных условиях на Земле. Результаты эксперимента команды Ванга, опубликованные в 2019 году показали, что пребывание на станции действительно изменило геном грибка в некоторых областях ДНК, внесло изменения в процесс производства белков и отразились на метаболизме. Но, до практических результатов пока еще далеко.

Генетическая инженерия может превратить грибы в универсальные фабрики лекарств. Антибактериальные, противогрибковые и противораковые препараты можно будет производить на борту космических кораблей. Достаточно только взять в полет несколько спор каждого штамма, и при необходимости вырастить их них нужное лекарство «по запросу».

Возможно, так получиться, нужного штамма в «аптечке» космонавтов не найдется. Но даже в этом случае без лекарства заболевший космонавт не останется. На этот случай на борту будет ДНК принтер. Запись нужной последовательности генов отправят с Земли по радио, а выращенная из синтетической ДНК клетка произведет нужное лекарство.

Марс ждет. Не только нас

В первобытные времена, человек расселяясь по планете, брал с собой уже одомашненных к этому моменту животных. Благодаря им у людей была еда, одежда, транспорт, защита, и им было проще обустроиться на новом месте.

Колонизаторский корабль будущего, вряд ли будет напоминать ковчег Ноя. Отправляясь на Марс, мы по понятным причинам не возьмем с собой домашних животных. Но вот генетически модифицированные бактерии уже определенно полетят с нами, а возможно и раньше нас. Они помогут нам обустроиться на новом месте. И первое в чем нам помогут «одомашненные» бактерии это строительство марсианского повеления. Строительство на Марсе потребует большого количества материалов. Из дома можно взять с собой только, что-то легкое, например, надувные модули, или слишком технологичное, что точно не создашь на чужой планете. Но нам требуется основа для прочных конструкций.

Исследователи из Колорадского университета (США) заставили бактерии превращать песок в кирпичи. Причем материал получился столь же прочный, что и обычный бетон. В основе производства такого биокирпича бактерии рода Synechococcus. Их поместили в питательную среду гидрогеля и смешали с песком. Бактерии, получая питание из этой среды, растут и производят карбонат кальция. То есть запускается процесс минерализации – подобный образованию раковины у мидий.

«Такой материал, безусловно, пригодится в условиях с ограниченными запасами сырья, например, в пустыне или на Луне или Марсе», – говорит Уилл Срубар, соавтор исследования. «В бесплодной среде такие строительные материалы очень хороши, тем, что им для роста требуется в основном только Солнце. Думаю, однажды мы возьмем с собой на Марс не мешки с цементом, а биоорганизмы», – добавляет он.

Ученые из Брауновского и Стэнфордского университетов (США), для производства строительных материалов на Марсе хотят использовать почвенную бактерию Sporosarcina pasteurii. Она использует мочевину (которая есть, в том числе в моче) для производства аммония. При этом окружающая бактерию среда становится щелочной, что позволяет образовываться естественному цементному раствору на основе карбоната кальция. Из него можно получать как сам кирпич, смешивая с красной пылью планеты, так и кладочный раствор для соединения полученных кирпичей.

Чтобы поверить свои предположения, ученые произвели эксперимент. Взяли кирпичи из пород, наиболее похожих на марсианские, поселили между ними бактерий и обеспечили их мочевиной. Через две недели кирпичи были крепко сцеплены образовавшимся биоцементом.

Но не все же можно построить из бетона, как же металлические конструкции? Здесь на помощь придет биомайнинг. Это такая потенциально более дешевая альтернатива традиционной добыче, когда нужные материалы из породы извлекаются с помощью бактерий.

Микроорганизмы играют важную роль в выветривания горных пород на Земле: они могут окислять или восстанавливать входящие в состав минералов химические элементы, а также ускорять коррозию. Эти свойства бактерий научились использовать для добычи полезных ископаемых (биомайнинга), и очистки загрязненных почв (биоремедиации). На Земле это метод уже испробовали, почему бы не попробовать в космосе.

Как считает Бенджамин Лехрер из Делфтского технического университета, прежде чем отправлять на Марс людей, на планету нужно отправить специальные беспилотные комплексы в составе: ровера, биoреактора и 3D-принтера.

Марсоход будет занимается сбором богатого на железо марсианского реголита, доставкой его к биореактору и загрузкой. Там он будет обрабатываться бактериями Shewanella oneidensis. Эти бактерии способны превращать марсианский реголит в магнетит, магнитный оксид железа, который, затем можно извлечь с помощью магнитов. После чего в 3D-принтере магнетит будет превращен в обычные металлические элементы, необходимые для строительства: винты, гайки, железные листы и т.д. Один такой «металлургический комплекс» с объемом биореактора в 1400 литров сможет произвести до 350 кг металлических изделий в год.

Несколько таких беспилотных модулей, отправленных заранее на Марс, смогут напечатать все необходимые конструкции и элементы для создания среды обитания на планете. Прилетевшим позже людям останется только собрать все вместе.

Биопленка бактерий Sphingomonas desiccabilis на поверхности базальта в эксперименте BioRock (Изображение сделано с использованием флуоресцентного микроскопа) / © ESA

Но будет ли работать биомайнинг за пределами Земли? В 2019 году ученые из Эдинбургского университета, в рамках проекта ESA BioRock, решили это выяснить и провели эксперимент на орбите. Некоторые сомнения были в том, что бактерии смогут при пониженной гравитации так же эффективно добывать металлы, как и на Земле.

На МКС доставили образцы пород, штаммы бактерий, а также специальные биореакторы, снабженные центрифугами для моделирования гравитации. В качестве породы был выбран базальт. Он относительно богат редкоземельными металлами и распространен, в том числе на Луне и Марсе.

Всего было протестировано три вида бактерий – Bacillus subtilis, Cupriavidus metallidurans и Sphingomonas desiccabilis. Их помещали в специально спроектированный биореактор KUBIK, в котором благодаря центрифуге, раскручивающей среду с нужной скоростью, можно имитировать уровни гравитации, аналогичные условиям на Луне, Марсе или Земле. Либо не включать центрифугу, что будет соответствовать условиям при добыче металлов на астероидах.

Победителем в этом испытании и кандидатом для будущих полетов к небесным телам Солнечной системы оказались бактерия Sphingomonas desiccabilis. Она продемонстрировала хорошие результаты биодобычи при любых гравитационных условиях.

Ученые, как видим, уже достаточно давно заняты поиском полезных микроорганизмов для сопровождения человека в дальних космических полетах. Одни занимаются теоритическими разработками, другие ставят эксперименты на Земле, а кто-то уже и отправляет микробов в космос. Кто конкретно полетит, ответят генетики и биологами, а мы посмотрим. Но уже точно понятно – без них не полетим. Кажется именно в этих невидимых глазу созданиях решение многих задач связанных с полетами к далеким планетам.