Ученые предлагают использовать синтетическую биологию и 3D-печать для систем жизнеобеспечения в космосе

Для длительных миссий на Луну или Марс NASA необходимо решить проблему снабжения экипажей, так как доставка ресурсов с Земли будет непрактичной и дорогой.

Решение может заключаться в использовании клеток (грибов, бактерий) в качестве возобновляемого ресурса. С помощью синтетической ДНК эти клетки можно перепрограммировать для производства целевых материалов, например, биопластиков. Затем эти материалы можно использовать в качестве сырья для 3D-принтеров, чтобы изготавливать необходимое оборудование, медицинские устройства, лекарства или даже пищу прямо во время миссии.

В статье, опубликованной в Trends in Biotechnology, исследователи из USRA, MIT Lincoln Laboratory и NASA описывают, как комбинация синтетической биологии и 3D-печати может поддерживать жизнь в дальнем космосе. Для реализации этих идей NASA призывает к сотрудничеству сообщества DIY-биологии и мейкерспейсов.

Почему DIY-сообщества?

Эти сообщества работают вне традиционных академических или промышленных рамок, делятся знаниями через open source и являются пионерами в быстром прототипировании с ограниченными ресурсами — что напрямую соотносится с потребностями космических экипажей.

От битов к биологии: как это может работать

Основная идея — «конвертер от битов к биологии». Генетические инструкции для получения нужного материала и инструкции для 3D-печати разрабатываются и тестируются на Земле, а затем в цифровом виде отправляются экипажу. Экипаж синтезирует ДНК, вставляет ее в организм (например, бактерии), которые производят сырье для 3D-принтера. Напечатанный предмет в конце жизненного цикла может быть переработан для создания нового.

Пример: Для ремонта разорванной солнечной панели (как на МКС в 2007 году) с Земли отправляются цифровые инструкции по производству бактериями полимерного сырья и по печати ремонтной стяжки. Экипаж воспроизводит процесс на месте.

Преимущества подхода

• Автономность: Возможность производить необходимое по требованию, «проектируя для неизвестного».
• Стойкость продуктов: Лекарства и пища, произведенные на месте, не деградируют от космической радиации, в отличие от привезенных с Земли.
• Миниатюризация: Сложные биологические эксперименты можно проводить с помощью 3D-печатных микрофлюидных устройств («лаборатория на чипе»), которые автоматически проводят сотни реакций, используя следовые количества реагентов.

Текущий прогресс и вызовы

В начале 2023 года на спутниковой миссии Eu:CROPIS были проведены первые эксперименты по синтетической биологии в космосе для тестирования производства белков бактериями в условиях разной гравитации.

Однако предстоит решить множество практических задач: обеспечение воды и среды для бактерий, утилизация отходов, адаптация процессов к реальным ограничениям космического полета.

Срочность и призыв к действию

Разработку этих технологий нужно начинать сейчас, чтобы испытать их на околоземных миссиях (например, на лунной станции), где еще возможна относительно быстрая доставка с Земли. Это создаст задел для надежных систем в долгосрочной миссии на Марс.

Сообществам DIY-биологии и мейкеров предлагается:

1. Публиковать свои проекты 3D-печати, микрофлюидных устройств или синтетической ДНК в открытых репозиториях.
2. Тестировать и улучшать опубликованные проекты.
3. Участвовать в решении задач, сформулированных в программе NASA Centennial Challenges.

«Часто мы слышим об инженерах, вдохновленных NASA. Но как могут внести свой вклад биологи? Сейчас есть шанс перенести их идеи в космос. Здесь так много возможностей для инноваций», — говорит Питер Карр.