Biotech fit for the Red Planet:Ny metode til dyrkning af cyanobakterier under Mars-lignende forhold

NASA, i samarbejde med andre førende rumbureauer, har til formål at sende sine første menneskelige missioner til Mars i begyndelsen af ​​2030'erne, mens virksomheder som SpaceX måske gør det endnu tidligere. Astronauter på Mars har brug for ilt, vand, mad, og andre forbrugsvarer. Disse skal hentes fra Mars, fordi at importere dem fra Jorden ville være upraktisk på lang sigt. I Grænser i mikrobiologi , Forskere viser for første gang, at Anabaena cyanobakterier kan dyrkes med kun lokale gasser, vand, og andre næringsstoffer og ved lavt tryk. Dette gør det meget lettere at udvikle bæredygtige biologiske livsstøttesystemer.

"Her viser vi, at cyanobakterier kan bruge gasser, der er tilgængelige i Mars atmosfære, ved et lavt totaltryk, som deres kilde til kulstof og nitrogen. Under disse forhold, cyanobakterier beholdt deres evne til at vokse i vand, der kun indeholdt Mars-lignende støv og kunne stadig bruges til at fodre andre mikrober. Dette kan hjælpe med at gøre langsigtede missioner til Mars bæredygtige, " siger hovedforfatter Dr. Cyprien Verseux, en astrobiolog, der leder Laboratory of Applied Space Microbiology ved Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) ved Bremen Universitet, Tyskland.

Lavtryksatmosfære

Cyanobakterier har længe været målrettet som kandidater til at drive biologisk livsstøtte på rummissioner, da alle arter producerer ilt gennem fotosyntese, mens nogle kan fiksere atmosfærisk nitrogen til næringsstoffer. En vanskelighed er, at de ikke kan vokse direkte i Mars atmosfære, hvor det samlede tryk er mindre end 1 % af Jordens – 6 til 11 hPa, for lav til tilstedeværelsen af ​​flydende vand - mens partialtrykket af nitrogengas - 0,2 til 0,3 hPa - er for lavt til deres stofskifte. Men at genskabe en jordlignende atmosfære ville være dyrt:gasser ville skulle importeres, mens kultursystemet skulle være robust - derfor, tung til fragt - for at modstå trykforskellene:"Tænk på en trykkoger, " siger Verseux. Så forskerne ledte efter en mellemvej:en atmosfære tæt på Mars, som gør det muligt for cyanobakterierne at vokse godt.

For at finde passende atmosfæriske forhold, Verseux et al. udviklet en bioreaktor kaldet Atmos (til "Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems"), hvor cyanobakterier kan dyrkes i kunstige atmosfærer ved lavt tryk. Ethvert input skal komme fra selve den røde planet:bortset fra nitrogen og kuldioxid, gasser, der er rigelige i Mars atmosfære, og vand, der kunne udvindes fra is, næringsstoffer skal komme fra "regolith", støvet, der dækker jordlignende planeter og måner. Regolith fra Mars har vist sig at være rig på næringsstoffer som fosfor, svovl, og calcium.

Anabaena:alsidige cyanobakterier dyrket på Mars-lignende støv

Atmos har ni 1 L beholdere lavet af glas og stål, hver af dem er sterile, opvarmet, trykstyret, og digitalt overvåget, mens kulturerne indeni konstant omrøres. Forfatterne valgte en stamme af nitrogenfikserende cyanobakterier kaldet Anabaena sp. PCC 7938, fordi foreløbige test viste, at den ville være særlig god til at bruge marsressourcer og hjælpe med at dyrke andre organismer. Nært beslægtede arter har vist sig at være spiselige, velegnet til genteknologi, og i stand til at danne specialiserede hvilende celler for at overleve barske forhold.

Verseux og hans kolleger dyrkede først Anabaena i 10 dage under en blanding af 96 % nitrogen og 4 % kuldioxid ved et tryk på 100 hPa - ti gange lavere end på Jorden. Cyanobakterierne voksede såvel som under den omgivende luft. Derefter testede de kombinationen af ​​den modificerede atmosfære med regolit. Fordi ingen regolit nogensinde er blevet bragt fra Mars, de brugte et substrat udviklet af University of Central Florida (kaldet "Mars Global Simulant") i stedet for at skabe et vækstmedium. Som kontrol, Anabaena blev dyrket i standard medium, enten ved omgivende luft eller under samme kunstige lavtryksatmosfære.

Cyanobakterierne voksede godt under alle forhold, herunder i regolit under den nitrogen- og kuldioxidrige blanding ved lavt tryk. Som forventet, de voksede hurtigere på standardmedium optimeret til cyanobakterier end på Mars Global Simulant, under begge atmosfærer. Men dette er stadig en stor succes:mens standardmedier skulle importeres fra Jorden, regolit er allestedsnærværende på Mars. "Vi ønsker at bruge som næringsstofressourcer, der er tilgængelige på Mars, og kun dem, " siger Verseux.

Tørret Anabaena biomasse blev formalet, suspenderet i sterilt vand, filtreret, og med succes brugt som et substrat til dyrkning af E. coli-bakterier, beviser, at sukker, aminosyrer, og andre næringsstoffer kan udvindes fra dem for at fodre andre bakterier, som er mindre hårdføre, men gennemprøvede værktøjer til bioteknologi. For eksempel, E. coli kunne konstrueres lettere end Anabaena til at producere nogle fødevarer og medicin på Mars, som Anabaena ikke kan.

Forskerne konkluderer, at nitrogenfiksering, iltproducerende cyanobakterier kan effektivt dyrkes på Mars ved lavt tryk under kontrollerede forhold, udelukkende med lokale råvarer.

Yderligere forbedringer på vej

Disse resultater er et vigtigt fremskridt. Men forfatterne advarer om, at yderligere undersøgelser er nødvendige:"Vi ønsker at gå fra dette proof-of-concept til et system, der kan bruges på Mars effektivt, " siger Verseux. De foreslår at finjustere kombinationen af ​​tryk, carbondioxid, og nitrogen optimalt for vækst, mens de tester andre slægter af cyanobakterier, måske genetisk skræddersyet til rummissioner. Et dyrkningssystem til Mars skal også designes:

"Vores bioreaktor, Atmos, er ikke det dyrkningssystem, vi ville bruge på Mars:det er beregnet til at teste, på jorden, de betingelser, vi ville stille der. Men vores resultater vil hjælpe med at guide designet af et Mars-dyrkningssystem. For eksempel, det lavere tryk betyder, at vi kan udvikle en mere letvægtsstruktur, der er lettere at fragte, da den ikke skal modstå store forskelle mellem inde og ude, " slutter Verseux.