Доставка медикаментов на Красную планету была бы дорогостоящей и непрактичной. Но что, если астронавты смогут вырастить собственную аптеку, как только доберутся туда?
Писатели-фантасты более века мечтали о путешествии на Марс в составе экипажа. Но лишь в 1953 году Вернер фон Браун опубликовал английский перевод своей книги "Проект "Марс", и эта идея была вырвана из сферы фантастики и воплощена в реальность.
Проект "Марс" представляет собой впечатляющее доказательство технической осуществимости поездки на Марс, с необычайной точностью описывая, как 10 космических кораблей, каждый из которых состоял из 70 человек и использовал обычное топливо, могли совершить кругосветное путешествие на Красную планету.
Несмотря на то, что с момента публикации книги наука значительно продвинулась вперед, все еще остаются нерешенные проблемы, начиная с проектирования "дышащей" среды обитания и заканчивая выращиванием питательной пищи. Но есть еще один вопрос, над которым исследовательский проект НАСА под названием "Центр использования биологической инженерии в космосе" (CUBES) работает с 2017 года. Этот вопрос так же важен для долгосрочного успеха населенного пункта вне планеты, как и воздух или пища: лечение болезней.
Это сложная проблема, на которую нет простого ответа. Как насчет упаковки шаттла, полного лекарств? На первый взгляд это может показаться реалистичным решением, но астронавты не могут заранее знать все формы, которыми они будут заболевать. Существуют некоторые известные риски отправки человеческой жизни на Марс, такие как влияние пониженной гравитации планеты на плотность костей и мышечную массу или потенциальное воздействие космической радиации по мере того, как астронавты покидают защитный чехол земной атмосферы. Но упаковка лекарств на случай непредвиденных обстоятельств будет дорогостоящей и займет драгоценное грузовое пространство.
Астронавты также не могут зависеть от своевременных поставок с Земли из-за большого расстояния между нашей планетой и Марсом. Космическим кораблям, приземлившимся на Марс, потребовалось больше года, чтобы добраться туда. Как ожидается, к тому времени, когда вы прочтете это, последний робот-марсоход, отправленный на Марс 30 июля 2020 года, должен приземлиться: более чем через 200 дней после запуска. Это слишком долго, чтобы доставить срочные, спасающие жизнь лекарства или припасы.
Синтетические решения
Вместо того, чтобы отправлять астронавтов в космос с дорогостоящим и ограниченным запасом лекарств, ученые подошли к этой проблеме несколько иначе. Что если бы астронавты могли производить на Марсе то, что им было бы необходимо?
Это одно из решений, которое пытается разработать CUBES - Научно-исследовательский институт космических технологий, созданный НАСА в феврале 2017 года. При этом он использует инструменты и методы синтетической биологии - научной области, в которой инженерные разработки используются для создания новых биологических организмов по требованию.
"Если бы мы могли программировать жизнь так, чтобы она делала вещи для нас, то нам не нужно учитывать все возможности перед тем, как мы уйдем, потому что жизнь программируется так, как другие вещи не программируются", - говорит Адам Аркин, директор CUBES. Аркин посвятил свою карьеру изучению того, как, по его словам, "строить вещи из жизни", разрабатывая более устойчивые системы производства биоматериалов. Марс представил идеальную среду для этих устремлений; в конце концов, это непредсказуемая, экстремальная среда, в которой человек должен, по необходимости, расходовать все доступные ему ресурсы. "Если бы мы могли построить что-то, что можно было бы выращивать, по сути, как завод, мы могли бы сократить расходы и повысить эффективность и устойчивость после того, как вы [окажетесь на Марсе]", - говорит он.
Программируемые заводы
По замыслу Аркина, "фабрики" могут включать технологию программирования растений, таких как салат и шпинат, и микробов, таких как спирулина, для производства стабильной лекарственной терапии. Одно из четырех подразделений CUBES, подразделение синтеза продуктов питания и фармацевтических препаратов (FPSD), исследует несколько различных методов для наилучшего использования природных организмов в фармацевтическом производстве. Например, существует модель семенного фонда: Семена с растения, которое было генетически модифицировано для получения молекулы-мишени (лекарства), отправляются на космический корабль вместе с астронавтами. Затем, как только на Марсе будет основана человеческая колония, поселенцы могут выращивать эти растения или непосредственно потреблять их, чтобы получить лекарство, или извлекать лекарственный компонент, очищать его и вводить в организм, как мы делаем это со многими медикаментами на Земле.
Для того, чтобы произвести эти растения, FPSD использует более старый метод, называемый преобразованием агробактерий, процесс, в котором бактерии, называемые Agrobacterium tumefaciens, используются в качестве средства доставки системы экспрессии ДНК в геном растения. Вводя новую ДНК в растение-мишени, ученые могут побудить растительность вырабатывать терапевтический белок, который в противном случае не смог бы вырабатывать. Другой метод включает синтез генов, которые кодируют любой препарат, который может понадобиться астронавту на Марсе, или отбор из своего рода библиотеки ДНК, после чего вводит гены непосредственно в растение.
"Когда вы говорите о синтетической биологии, одна из мощных вещей в ней заключается в том, что вы можете синтезировать ДНК для различных целей". Поэтому, имея возможность синтезировать гены на планете, я думаю, что это было бы очень ценным инструментом", - говорит Карен Макдональд, глава FPSD и профессор химической инженерии в Калифорнийском университете в Дэвисе. После синтеза гены можно было бы вводить непосредственно в растения по требованию с помощью инструмента, называемого генным пистолетом - баллистического устройства, которое выстреливает частицы ДНК на поверхность листа с такой силой, что он проникает в клеточную стенку растения, позволяя генетическому материалу быть введенным в организм".
Как это выглядит на практике? Один из основных проектов дивизиона - производство белкового пептида в растениях салата латук, который может быть использован для лечения остеопении или остеопороза с помощью трансформации агробактерий. Распространяя растение через несколько поколений, исследователи смогут отбирать для линий, производящих наиболее стабильные количества препарата от одного поколения к другому. Они также рассматривают другие листовые зелень, такие как шпинат, как потенциальную платформу для производства лекарств. Эти растения не только часто используются в экспериментах NASA, но и имеют очень высокий индекс урожайности, что означает, что большую часть или все растения можно употреблять в пищу, что делает их вероятными кандидатами на миссию к Марсу.
Но работа не обходится без проблем, усугубляемых требованиями марсианской среды.
Следующая планета
"Как инженеры, мы работаем с проектированием систем в ограниченных условиях, - говорит Макдональд. "Но ограничения, с которыми мы имеем дело здесь, на Земле, не похожи на ограничения, которые могут быть у вас при полете на Марс". Перед ее командой стоят две взаимосвязанные задачи: усовершенствование методов дешевого и эффективного извлечения из растений и очистки соединений, безопасных для инъекций астронавтов, и определение того, сколько лекарств на самом деле попало бы в кровоток. Макдональд говорит, что астронавтам, возможно, понадобится привезти некоторое диагностическое оборудование, чтобы обеспечить очистку и безопасность лекарства для потребления.
Несмотря на то, что CUBES имеет свои взгляды на звезды, у этой работы есть важные вопросы и для жизни на Земле. Аркин говорит, что маловероятно - и неразумно, с точки зрения здоровья и безопасности - что эта технология позволит прекратить крупномасштабное производство лекарств здесь, на Земле. Но это не значит, что исследования CUBES не способны радикально нарушить то, как мы едим и растем здесь, особенно в ближайшие десятилетия, по мере усиления климатических изменений, роста населения Земли, а наши природные ресурсы продолжают сокращаться.
"[CUBES] говорил о том, что да, Марс - это следующая планета, которую мы можем посетить, но наша планета меняется настолько быстро, что нам приходится иметь дело и с "следующей планетой" здесь", - говорит Аркин. "И если мы сможем построить автотрофный завод-самостроитель, который сможет обеспечить 10 человек продовольствием и топливом, лекарствами и строительными материалами, из углекислого газа, света и отходов, то это принесет огромную пользу человечеству во всем мире. Это поставило бы нас здесь на следующую ступень нашей планеты".
