science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Biotech geschikt voor de rode planeet:nieuwe methode voor het kweken van cyanobacteriën onder Marsachtige omstandigheden

A:Bioreactor Atmos ("Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems"). B:Een enkel vat binnen Atmos. C:Ontwerpschema. Krediet:C. Verseux / ZARM

nasa, in samenwerking met andere toonaangevende ruimtevaartorganisaties, streeft ernaar zijn eerste menselijke missies naar Mars te sturen in het begin van de jaren 2030, terwijl bedrijven als SpaceX dat misschien nog eerder doen. Astronauten op Mars hebben zuurstof nodig, water, voedsel, en andere verbruiksartikelen. Deze moeten van Mars komen, omdat het op de lange termijn onpraktisch zou zijn om ze van de aarde te importeren. In Grenzen in de microbiologie , wetenschappers tonen voor het eerst aan dat Anabaena cyanobacteriën kunnen worden gekweekt met alleen lokale gassen, water, en andere voedingsstoffen en bij lage druk. Dit maakt het veel gemakkelijker om duurzame biologische levensondersteunende systemen te ontwikkelen.

"Hier laten we zien dat cyanobacteriën gassen kunnen gebruiken die beschikbaar zijn in de atmosfeer van Mars, bij een lage totale druk, als hun bron van koolstof en stikstof. Onder deze voorwaarden, cyanobacteriën behielden hun vermogen om te groeien in water dat alleen Marsachtig stof bevatte en konden nog steeds worden gebruikt voor het voeden van andere microben. Dit zou kunnen helpen om langdurige missies naar Mars duurzaam te maken, " zegt hoofdauteur Dr. Cyprien Verseux, een astrobioloog die aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Toegepaste Ruimtemicrobiologie van het Centrum voor Toegepaste Ruimtetechnologie en Microzwaartekracht (ZARM) van de Universiteit van Bremen, Duitsland.

Lagedrukatmosfeer

Cyanobacteriën zijn al lang het doelwit van kandidaten voor biologische levensondersteuning op ruimtemissies, aangezien alle soorten zuurstof produceren door middel van fotosynthese, terwijl sommige atmosferische stikstof in voedingsstoffen kunnen fixeren. Een moeilijkheid is dat ze niet rechtstreeks in de atmosfeer van Mars kunnen groeien, waar de totale druk minder is dan 1% van de aarde - 6 tot 11 hPa, te laag voor de aanwezigheid van vloeibaar water - terwijl de partiële druk van stikstofgas - 0,2 tot 0,3 hPa - te laag is voor hun metabolisme. Maar het opnieuw creëren van een aardachtige atmosfeer zou duur zijn:gassen zouden moeten worden geïmporteerd, terwijl het cultuursysteem robuust zou moeten zijn - vandaar, zwaar tot vracht - om de drukverschillen te weerstaan:"Denk aan een snelkookpan, ", zegt Verseux. Dus zochten de onderzoekers naar een middenweg:een atmosfeer dichtbij die van Mars waardoor de cyanobacteriën goed kunnen groeien.

Om geschikte atmosferische omstandigheden te vinden, Verseux et al. ontwikkelde een bioreactor genaamd Atmos (voor "Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems"), waarin cyanobacteriën kunnen worden gekweekt in kunstmatige atmosferen bij lage druk. Elke input moet van de Rode Planeet zelf komen:behalve stikstof en koolstofdioxide, gassen die overvloedig aanwezig zijn in de atmosfeer van Mars, en water dat uit ijs kan worden gewonnen, voedingsstoffen moeten afkomstig zijn van "regoliet", het stof dat aardachtige planeten en manen bedekt. Het is aangetoond dat Martiaanse regoliet rijk is aan voedingsstoffen zoals fosfor, zwavel, en kalk.

Anabaena:veelzijdige cyanobacteriën gekweekt op Marsachtig stof

Atmos heeft negen 1 L-vaten van glas en staal, die elk steriel zijn, verwarmde, drukgestuurd, en digitaal gecontroleerd, terwijl de culturen binnen continu worden geroerd. De auteurs kozen voor een stam van stikstofbindende cyanobacteriën genaamd Anabaena sp. PCC 7938, omdat uit voorlopige tests bleek dat het bijzonder goed zou zijn in het gebruik van Marsbronnen en het helpen groeien van andere organismen. Van nauw verwante soorten is aangetoond dat ze eetbaar zijn, geschikt voor genetische manipulatie, en in staat om gespecialiseerde slapende cellen te vormen om zware omstandigheden te overleven.

Verseux en zijn collega's kweekten eerst Anabaena gedurende 10 dagen onder een mengsel van 96% stikstof en 4% koolstofdioxide bij een druk van 100 hPa - tien keer lager dan op aarde. De cyanobacteriën groeiden zowel onder omgevingslucht. Daarna testten ze de combinatie van de gemodificeerde atmosfeer met regoliet. Omdat er nog nooit een regoliet van Mars is meegebracht, ze gebruikten in plaats daarvan een substraat ontwikkeld door de University of Central Florida ("Mars Global Simulant") om een ​​groeimedium te creëren. Als controles, Anabaena werden gekweekt in standaard medium, hetzij bij omgevingslucht of onder dezelfde kunstmatige lagedrukatmosfeer.

De cyanobacteriën groeiden onder alle omstandigheden goed, inclusief in regoliet onder het stikstof- en kooldioxiderijke mengsel bij lage druk. Zoals verwacht, ze groeiden sneller op standaard medium geoptimaliseerd voor cyanobacteriën dan op Mars Global Simulant, onder beide atmosfeer. Maar dit is nog steeds een groot succes:hoewel standaardmedium van de aarde zou moeten worden geïmporteerd, regolith is alomtegenwoordig op Mars. "We willen de bronnen die op Mars beschikbaar zijn als nutriënten gebruiken, en alleen die, ", zegt Verseux.

Gedroogde Anabaena-biomassa werd gemalen, gesuspendeerd in steriel water, gefilterd, en met succes gebruikt als substraat voor het kweken van E. coli-bacteriën, bewijzen dat suikers, aminozuren, en andere voedingsstoffen kunnen daaruit worden gehaald om andere bacteriën te voeden, die minder sterke maar beproefde hulpmiddelen zijn voor biotechnologie. Bijvoorbeeld, E. coli zou gemakkelijker kunnen worden gemanipuleerd dan Anabaena om sommige voedselproducten en medicijnen op Mars te produceren die Anabaena niet kan.

De onderzoekers concluderen dat stikstofbindende, zuurstofproducerende cyanobacteriën kunnen efficiënt worden gekweekt op Mars bij lage druk onder gecontroleerde omstandigheden, met uitsluitend lokale ingrediënten.

Verdere verfijningen in de pijplijn

Deze resultaten zijn een belangrijke stap vooruit. Maar de auteurs waarschuwen dat verdere studies nodig zijn:"We willen van dit proof-of-concept naar een systeem gaan dat efficiënt op Mars kan worden gebruikt, " zegt Verseux. Ze stellen voor om de combinatie van druk, kooldioxide, en stikstof optimaal voor groei, tijdens het testen van andere geslachten van cyanobacteriën, misschien genetisch op maat gemaakt voor ruimtemissies. Ook moet er een kweeksysteem voor Mars worden ontworpen:

"Onze bioreactor, Atmos, is niet het kweeksysteem dat we op Mars zouden gebruiken:het is bedoeld om te testen, op aarde, de voorwaarden die we daar zouden bieden. Maar onze resultaten zullen helpen bij het ontwerpen van een Mars-kweeksysteem. Bijvoorbeeld, de lagere druk betekent dat we een lichtere structuur kunnen ontwikkelen die gemakkelijker te vervoeren is, omdat het geen grote verschillen tussen binnen en buiten hoeft te weerstaan, " besluit Verseux.