Модифицированные микробы помогут в колонизации новых планет
Раз уж люди собираются в космос в поисках жизни, большинство инопланетных организмов, которых мы встретим, возможно, будут занесены нами же. Ученые из NASA и других институтов пытаются биологически изменить микробов так, чтобы они взяли на себя некоторые функции, необходимые для поддержания жизни людей за пределами Земли. Люди пытаются приструнить микробов и заставить их делать полезные дела тысячи лет. С их помощью мы делаем хлеб, пиво и сыр, а совсем недавно начали производить с их помощью лекарства, удобрения и даже биотопливо.
Однако развивающаяся область синтетической биологии обещает значительно расширить полезные способности микробов. Достижения в области редактирования генов позволяют ученым модифицировать геномы микробов так, чтобы они выполняли совершенно новые функции, такие как производство химических веществ, не встречающихся в природе, работа в роли биодатчиков и даже производство вычислений.
Таким широким диапазоном способностей заинтересовалось NASA, в частности потому, что агентство собирает миссию на Марс. Основная проблема освоения космоса заключается в огромных затратах на материалы, необходимые для поддержания жизни на Земле, а длительные миссии далеко от Земли могут ждать пополнение припасов месяцами. Такие вещи, как лекарства и продукты питания, также со временем ухудшаются, поэтому даже если у нас будет место для их перевозки, срок годности не позволит хранить их вечно.
Вот почему NASA исследует возможность использования микробов для производства жизненно важных питательных веществ и строительных материалов за пределами планеты. В идеале хотелось бы просто брать с собой пакеты «просто добавь воды» с микробами, которые генетически запрограммированы на производство определенных питательных веществ. Агентство уже продемонстрировало рабочую концепцию с генетически модифицированными дрожжами, которые производят зеаксантин, ключевое питательное вещество для здоровья глаз.
Что касается строительных материалов, стоит задача использовать физические и химические методы для превращения двуокиси углерода, которой много в атмосфере Марса, в простые органические молекулы. Генетически модифицированные микробы смогут производить из нее пластик, волокна и другие типы сырья, которые затем будут при помощи 3D-принтеров превращаться в жилье, инструменты и запчасти.
Не только NASA пытается перепрофилировать микробов для космических применений. Ученые из Калифорнийского университета в Беркли разрабатывают микробов, которые помогут сделать марсианскую почву более пригодной для жизни растений.
Надежды на развитие сельского хозяйства на Красной планете сильно приутихли, когда посадочный модуль Phoenix обнаружил на поверхности высокие уровни перхлоратов, соли, которая может быть токсичной для живых существ, в 2008 году. Но команда ученых из Беркли спроектировала микробов, которые могут одновременно уменьшать содержание перхлората в почве и обогащать ее аммиаком, необходимым для здорового роста растений.
Имея в виду не только космическое применение, ученые из Массачусетского технологического института создали синтетическую биологическую систему, которая могла бы создавать индивидуальные лекарства по требованию. Вместо того чтобы использовать целые организмы, они насухо заморозили сегменты ДНК и другие биомолекулы в гранулах, которые можно регидратировать и начать производство лекарств.
Такая портативная система может использоваться для создания дизайнерских антител, которые смогут бороться с заболеваниями быстро и дешево, а гранулы можно транспортировать при комнатной температуре и довольно просто использовать.
Хотя эти проекты уже разрабатываются, другие исследователи смотрят в будущее.
В 2015 году исследователи из NASA и Беркли изложили потенциальные возможности, близкие и далекие, использования микробов для поддержки людей за пределами планеты в Journal of the Royal Society Interface. Они включили проекты, которые уже разрабатываются для производства исходного сырья, медикаментов и питательных веществ, а также более амбициозные планы по генетической модификации микробов для получения кислоты, которая позволит извлекать ценные компоненты из горных пород, создания биологического клея, который мог бы скреплять марсианскую пыль с производством кирпичей.
Ученые также считают, что можно создать замкнутую систему, в которой все отходы будут перерабатываться микробами для производства полезных побочных продуктов. Генетически модифицированные микробные топливные элементы могли бы извлекать полезные химические вещества, такие как азот и фосфор, из сточных вод, одновременно вырабатывая электроэнергию.
Бактерии, используемые для компостирования твердых отходов, могут быть использованы для получения закиси азота, потенциального ракетного топлива. Если бы мы могли заселить колониями микробов стенки жилищ, они бы перерабатывали двуокись углерода в пригодный для дыхания кислород и обеспечивали самовосстанавливающийся слой радиационной защиты.
Заглядывая в будущее, можно увидеть, что в конечном итоге все эти синтетические организмы будут производиться в виде систем управления кораблями и поселениями, выступать в виде биодатчиков и биоконтроллеров, которые будут реагировать на такие вещи, как повышение уровня радиации, и контролировать процессы других синтетических организмов.
Впрочем, все это гадание на кофейной гуще. Прежде чем какое-либо из этих приложений увидит свет, необходимо решить массу проблем. Не в последнюю очередь и то, что хотя все это теоретически возможно, инструментов для реализации у нас на Земле пока нет. Заставить их работать в суровых условиях космоса будет еще сложнее.
Экстремофильные микробы, которые выживают в самых негостеприимных местах мира, вроде глубоководных термальных источников или под арктическим льдом, могут послужить указкой для синтетических биологов, пытающихся создать более выносливые организмы. Но совместить такие характеристики с полезными способностями производства желаемых веществ — поистине титаническая по сложности задача.
И ни один из известных нам организмов не смог адаптироваться к жизни в отсутствие земной гравитации. Эксперименты с участием микробов, посылаемых в космос, показывают, что большинство из них чувствуют себя не очень хорошо и входят в режим снижения повреждений, который отключает множество несущественных для жизни систем. А именно эти системы, скорее всего, будут работать на производство нужных нам веществ. Понять же, как создать микробам хорошие условия для работы в космосе, тоже нелегко из-за недоступности этого самого космоса.
Впрочем, благодаря новым технологиям вроде CRISPR и методам создания синтетических форм жизни, есть надежда, что эти проблемы вскоре будут преодолены. И это будет полезно не только для первых астронавтов, но и для тех, кто останется на Земле.