Как синтетическая биология решит биологические загадки и сделает людей безопаснее в космосе

Полет человека в космос сопряжен не только с инженерными, но и с биологическими барьерами, опасными для длительных миссий в межпланетном пространстве.

Влияние микрогравитации на здоровье человека и микроорганизмы

На людей микрогравитация оказывает долгосрочное воздействие:

• Атрофия сердца и мышц
• Повышение хрупкости костей
• Накопление спинномозговой жидкости, ухудшающее зрение

На микроорганизмы микрогравитация также действует загадочным образом:

• Меняется экспрессия генов и физиология клеток [Paul 2012, Crabbe 2011, Rosenzweig 2010, Wilson 2007].
• Каждый организм реагирует уникально, так как не эволюционировал в условиях, отличных от 1G.
• Большинство микробов активирует пути стрессового ответа, отключая несущественные гены и производя ремонтные белки [Crabbe 2011, Wilson 2007].

Опасности, вызванные стрессовым ответом микроорганизмов

Эта реакция создает серьезные угрозы для астронавтов:

1. Повышенная вирулентность и устойчивость к антибиотикам у патогенов [Wilson 2007, Klaus 2006].
2. Дисбиоз микробиома кишечника, ведущий к воспалению и уязвимости перед патогенами [Li 2015, Foster 2014].
3. Стимуляция роста биопленок в микрогравитации [Mauclaire 2010].

Для миссии на Марс эти риски критичны, так как вспышка устойчивой к антибиотикам инфекции в замкнутом пространстве в месяцах от помощи ставит под угрозу весь экипаж.

Проблемы для синтетической биологии в космосе

Планы по использованию генетически модифицированных организмов (ГМО) для производства пищи, кислорода или в качестве пробиотиков сталкиваются с проблемой:

• В условиях микрогравитации тщательно сконструированные генетические программы могут игнорироваться или неправильно интерпретироваться клеткой из-за стрессового ответа.
• Проведение биологических экспериментов в космосе остается дорогим и медленным, что ограничивает сбор данных.

Пути решения: исследования и новые технологии

Первый шаг — развитие фундаментальных исследований и создание доступного оборудования для экспериментов в космосе:

• Изучение уже выявленных стрессовых путей у Salmonella и Pseudomonas [Crabbe 2011, Wilson 2007].
• Разработка недорогого автоматизированного оборудования, не требующего времени астронавтов, например, на основе CubeSat (миссий NASA Ames Research Center [Ricco 2007, Ricco 2010, Mattioda 2012]).

В следующем десятилетии синтетическая биология предоставит новые инструменты:

• Генное редактирование [Esvelt 2013] для массового создания модификаций и изучения сбоев регуляции генов в космосе.
• Глубокое секвенирование микробиома астронавтов для анализа динамики дисбиоза.
• Оптогенетические системы [Olson 2014] для воссоздания эффектов микрогравитации на Земле или их смягчения в космосе.
• Создание генетических схем, активирующихся в ответ на микрогравитацию.

Долгосрочная цель: инженерные решения

Полученные знания позволят создать:

• Устойчивые к космическому полю или нейтрализующие негативные эффекты штаммы бактерий.
• Целевые, сконструированные пробиотики, адаптированные под индивидуальную микрофлору астронавта для борьбы с дисбиозом [Cervantes 2015].
• Устойчивые ГМО для производства пищевых добавок и вкусной пищи в ходе длительных миссий.

В перспективе биология может быть использована для добычи ресурсов, систем жизнеобеспечения, производства и даже терраформирования [Menezes 2014, Menezes 2015].