Как грибы и синтетическая биология помогут астронавтам на Марсе
Несколько лет назад Клей Ван привел своих детей в Космический центр Калифорнии, чтобы показать им космический шаттл. Но взглянув на «Индевор» и задумавшись об освоении человеком космического пространства, фармаколог также задался вопросом: что, если на полпути к Марсу у команды закончатся медикаменты? Очень много чего может пойти не так во время трехлетней миссии на Марс. И взять с собой получится лишь ограниченное число медикаментов.
«В случае с едой, можно точно предсказать, сколько нужно будет есть астронавтам, - говорит Ван. - С медикаментами так нельзя».
Что делать, если возникнет необходимость в лекарстве, которое не положили? Проблему усугубляет тот факт, что в космической среде многие лекарства теряют силу и разрушаются быстрее, чем на Земле.
По этим причинам Ван считает, что будущие исследователи Марса должны выращивать лекарства самостоятельно. В своей лаборатории в Университете Южной Калифорнии он готовится провести эксперимент, чтобы сделать это возможным.
Если все пойдет по плану, несколько счастливых образцов грибов под названием Aspergillus nidulans отправятся на ракете SpaceX на Международную космическую станцию.
Этот особый вид гриба имеет важное значение для биомедицинских исследований. Ученые изучили геном A. nidulans вдоль и поперек, но остаются и неизвестные части. Функции многих генов неизвестны, и команда Вана надеется, что космический стресс поможет генам активироваться и произвести новые компоненты. Если представить A. nidulans как фабрику, «множество машин на этой фабрике были выключены, поэтому мы не знаем, что они делают», объясняет Ван. «В космосе они могут включиться».
В большинстве случаев A. nidulans производит лишь несколько классов соединений, но Ван говорит, что его лаборатория обнаружила, что «они производят разные природные продукты в зависимости от условий, в которых растут». Команда надеется, что уникальные стрессовые условия космоса смогут раскрутить грибы на творчество и произвести компоненты, которые можно будет включить в медикаменты. Это помогло бы как землянам, так и астронавтам в космосе.
Команда Вана также хочет превратить A. nidulans или другие грибы в фабрики, способные производить широкое разнообразие лекарств в космосе. Но сначала им нужно увидеть, как условия с высоким уровнем излучения и низкой гравитацией повлияют на растения. Какие соединения те произведут, в каких количествах? Какие гены активируются, как подавятся?
Чтобы выяснить, образцы грибов будут отправлены на космическую станцию на несколько дней, а затем заморожены до возвращения на Землю. Как только космические грибы вернутся, ученые сравнят их метаболиты, белки, образцы экспрессии генов с образцами на Земле.
Далее исследователи могли бы использовать эту информацию для выведения устойчивых к космосу штаммов гриба - A. nidulans или других видов, если найдут те, что лучше предназначены для этой работы.
Например, A. nidulans способен производить соединения, которые борются с низкой плотностью костной ткани - проблемой, от которой сильно страдают астронавты, проводящие много времени за пределами земного притяжения. Обычно гриб производит это соединение в небольших количествах, но путем селективного разведения штаммов, производящих большие количества этого вещества, ученые могли бы получить более продуктивные версии.
Ван считает, что будущие исследователи Марса могли бы взять несколько спор каждого штамма и выращивать по необходимости, производя лекарства всего за 2-4 дня. В отличие от растений, грибам не нужна почва или специальные условия освещения. Все, что нужно, это пищевые отходы и немного воды.
Забегая вперед, генетическая инженерия могла бы помочь грибам производить все виды антибактериальных, противогрибковых и даже противораковых препаратов на пути к Марсу и обратно. С их помощью можно было бы делать любое лекарство, производное от грибов.
«Большой прорыв синтетической биологии заключается в способности перепрограммировать эти организмы, - говорит Ван. - Мало того, что мы можем их перепрограммировать, мы можем с легкостью ими манипулировать».
В конце концов, говорит Ван, астронавтам не придется брать с собой даже аптечку. Если у исследователей Марса закончится гризеовульфин, наземный контроль отправит им в электронном письме последовательность генов, используемую для производства этого лекарства, а синтезатор ДНК сможет записать эти коды в искусственной клетке, которая затем произведет лекарство.
Но хотя ученые уже могут вписать ДНК в искусственные клетки, практическое применение этой технологии отстоит от нас на несколько десятилетий.
