Разработан новый метод выращивания цианобактерий в марсианских условиях

НАСА в сотрудничестве с другими ведущими космическими агентствами планирует отправить свои первые миссии с экипажем на Марс в начале 2030-х годов, в то время как такие компании, как SpaceX, могут сделать это еще раньше.

Людям на Марсе понадобятся кислород, вода, пища и другие расходные материалы. Они должны быть получены с Марса, потому что импорт их с Земли будет нецелесообразным в долгосрочной перспективе. Теперь ученые впервые показали, что цианобактерии Anabaena можно выращивать только с использованием местных газов, воды и других питательных веществ и при низком давлении. Это значительно облегчает разработку устойчивых биологических систем жизнеобеспечения.

«Мы показываем, что цианобактерии могут использовать газы, имеющиеся в марсианской атмосфере, при низком общем давлении, в качестве источника углерода и азота. В этих условиях цианобактерии сохраняли способность расти в воде, содержащей только марсианскую пыль, и все еще могли использоваться для питания других микробов. Это может помочь сделать долгосрочные полеты на Марс устойчивыми», — говорит ведущий автор исследования доктор Сиприен Версе, астробиолог из Бременского университета, Германия.

Атмосфера низкого давления

Цианобактерии уже давно рассматриваются в качестве кандидатов для обеспечения биологической жизнедеятельности в космических полетах, поскольку все виды производят кислород посредством фотосинтеза, в то время как некоторые могут фиксировать атмосферный азот в питательные вещества.

Трудность заключается в том, что они не могут расти непосредственно в атмосфере Марса, где общее давление составляет менее 1% от Земного — от 6 до 11 ГПа, что слишком мало для присутствия жидкой воды, в то время как парциальное давление газообразного азота от 0,2 до 0,3 ГПа — слишком мало для их метаболизма.

Но воссоздание атмосферы, подобной Земной, было бы дорогостоящим предприятием: газы должны были бы импортироваться, в то время как система культивации должна была быть надежной — следовательно, тяжелой для перевозки, чтобы противостоять перепадам давления. Поэтому исследователи искали золотую середину: атмосферу, близкую к Марсианской, которая позволяет цианобактериям хорошо расти.

Чтобы найти подходящие атмосферные условия, ученые. разработали биореактор под названием Atmos (для «Атмосферного тестера для органических систем, связанных с Марсом»), в котором цианобактерии могут выращиваться в искусственных атмосферах при низком давлении.

Любые вещества должны поступать с самой Красной планеты: помимо азота и углекислого газа, газов, изобилующих в атмосфере Марса, и воды, которую можно добывать из льда, питательные вещества должны поступать из «реголита», пыли, покрывающей планеты. Марсианский реголит богат такими питательными веществами, как фосфор, сера и кальций.

Анабаена: универсальные цианобактерии, выращенные на марсианской пыли

Atmos имеет девять сосудов объемом 1 литр из стекла и стали, каждый из которых стерилен, нагревается, контролируется давлением и цифровым контролем, в то время как культуры внутри непрерывно перемешиваются.

Авторы выбрали штамм азотфиксирующих цианобактерий Anabaena sp. PCC 7938, потому что предварительные испытания показали, что он будет особенно хорошо использовать марсианские ресурсы и помогать выращивать другие организмы. Было показано, что близкородственные виды съедобны, пригодны для генной инженерии и способны формировать специализированные спящие клетки, чтобы выжить в суровых условиях.

Ученые впервые выращивали Anabaena в течение 10 дней под смесью 96% азота и 4% углекислого газа при давлении 100 ГПа — в десять раз ниже, чем на Земле. Цианобактерии росли так же хорошо, как и в обычных условиях.

Затем они испытали сочетание модифицированной атмосферы с реголитом. Поскольку с Марса никогда не привозили реголит, они использовали субстрат, разработанный Университетом Центральной Флориды (называемый «Марс Глобал Симулянт»), для создания среды роста. В качестве контроля анабаены выращивались в стандартной среде, либо на окружающем воздухе, либо в той же искусственной атмосфере низкого давления.

Цианобактерии хорошо росли при любых условиях, в том числе и в реголите под богатой азотом и углекислым газом смесью при низком давлении. Как и ожидалось, они росли быстрее на стандартной среде, оптимизированной для цианобактерий, чем на Марсианском Глобальном симулянте, в любой атмосфере. Но это все еще большой успех: в то время как стандартная среда должна была бы быть импортирована с Земли, реголит повсеместно распространен на Марсе. «Мы хотим использовать в качестве питательных веществ ресурсы, доступные на Марсе, и только их», — говорят исследователи.

Высушенную биомассу Анабаены измельчали, суспендировали в стерильной воде, фильтровали и успешно использовали в качестве субстрата для выращивания бактерий E. coli, доказав, что из них можно извлекать сахара, аминокислоты и другие питательные вещества для питания других бактерий, которые являются менее выносливыми, но испытанными инструментами биотехнологии.

Например, кишечная палочка может быть сконструирована легче, чем Анабаена, для производства некоторых пищевых продуктов и лекарств на Марсе, которые Анабаена дать не может.

Исследователи пришли к выводу, что азотфиксирующие, продуцирующие кислород цианобактерии могут быть эффективно выращены на Марсе при низком давлении в контролируемых условиях с использованием исключительно местных ингредиентов.

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 Сиприен Версе.

Ученые предлагают точно настроить комбинацию давления, углекислого газа и азота, оптимальную для роста, а также протестировать другие виды цианобактерий, возможно, генетически адаптированные для космических полетов. Также необходимо разработать систему культивирования для Марса:

— Наш биореактор «Атмосфера» — это не та система культивирования, которую мы использовали бы на Марсе: он предназначен для проверки на Земле условий, которые мы там обеспечим. Но наши результаты помогут в разработке марсианской системы культивирования. Например, более низкое давление означает, что мы можем разработать более легкую конструкцию, которая будет легче перевозиться, так как ей не придется выдерживать большие различия между внутренним и внешним пространством», — заключает Сиприен Версе.