Denník N

Môže nám syntetická biológia pomáhať pri skúmaní vesmíru?

Zdalo by sa, že syntetická biológia a astronómia si musia byť na míle vzdialené – syntetická biológia skúma maličké bunky a astronómia sa zase venuje nedozerným vesmírnym diaľavám. V tomto blogu sa bližšie pozrieme na dve možnosti využitia syntetickej biológie v prípade kozmických letov s ľudskou posádkou.

Tento blog je skrátenou verziou témy, ktorú diskutujem v podcaste Pravidelná Dávka, kde spolu s Jakubom Betinským a Andrejom Zemanom preberáme zaujímavé témy z oblasti filozofie, vedy, náboženstva, bioinžinierstva, či syntetickej biológie. Celý podcast si môžete vypočuť TU

Práve tento týždeň to bude 50 rokov od okamihu, keď 20. Júla 1969 o 20 hodín 17 minút svetového času na Mesiaci pristál lunárny modul „Eagle“ misie Apollo 11. O niekoľko hodín neskôr sa po mesačnom povrchu už prechádzali (alebo skôr poskakovali, vzhľadom na nižšiu gravitačnú silu Mesiaca) prví ľudia. O pristátí Apolla 11 na Mesiaci sa teraz právom hovorí veľmi veľa, našťastie aj v slovenskom mediálnom priestore. Okrem toho, kým som sa začal naplno venovať bioinžinierstvu, bol som zanieteným fanúšikom astronómie, astrofyziky a kozmonautiky. Preto si myslím, že nastala vhodná chvíľa pouvažovať nad tým, ako by sme mohli poznatky syntetickej biológie a genetického inžinierstva využiť v kozmonautike.

O syntetickej biológii som už písal vo svojom predchádzajúcom blogu, kde som opisoval ako nám jej metódy pomáhajú bojovať proti znečisťovaniu životného prostredia prostredníctvom výroby užitočných chemikálií zo škodlivých priemyselných plynov prostredníctvom geneticky upravených baktérií.

Len na pripomenutie, syntetická biológia je inžinierska disciplína, ktorá sa zaoberá úpravou, dizajnom a konštrukciou biologických súčiastok a bunkových systémov, s cieľom ich využitia na zmysluplné a ľudstvu prospešné účely. Istým spôsobom ju môžeme považovať za „živú“ kombináciu elektrického inžinierstva a programovania. V syntetickej biológii na stavbu zariadení nepoužívame súčiastky ako rezistory, tranzistory, či drôty. Namiesto nich využívame na stavbu biologických prístrojov elegantné riešenia v podobe molekúl života, ktorými sú napríklad DNA, RNA a proteíny. Tieto stavebné kamene nám poskytuje príroda, ktorá mala v priebehu stoviek miliónov rokov čas na ich vyladenie. Vďaka tomuto jemnému  vyladeniu je napríklad množstvo chýb vznikajúcich pri prepise bunkovej DNA udivujúco malé.

Na komunikáciu medzi biologickými prístrojmi a ich programovanie zase namiesto programovacieho jazyka založeného na jednotkách a nulách používaného v našich počítačoch, využívame jazyk DNA, ktorý je založený na štyroch rôznych chemikáliách, nazývaných bázy: Adenín, Tymín, Guanín a Cytozín. Keďže, zjednodušene povedané, Adenín sa môže viazať len s Tymínom a Guanín s Cytozínom, vzniká nám binárna číselná sústava, do ktorej následne môžeme zašifrovať všetky potrebné bunkové pokyny. Môžeme jej takto „prikázať“ produkovať špecifické chemické látky, či začať proces bunkového delenia.

Ako nám teda môže syntetická biológia pomáhať pri skúmaní vesmíru? Ako nám môžu byť nejaké bunky nápomocné v nehostinnom prostredí, kde teploty siahajú od takmer absolútnej nuly po neznesiteľnú páľavu, kde nie je kyslík, atmosféra a kde je intenzívnejšie žiarenie než v seriáli Černobyľ?

Jednou z aplikácií syntetickej biológie v kozmonautike je poskytovanie zdravej a výživnej stravy pre astronautov pri dlhých kozmických výpravách, napríklad v prípade výpravy na Mars. Cesta na Mars netrvá rádovo hodiny, no skôr mesiace. K tomu si prirátajme dobu pobytu na červenej planéte a cestu späť – a rozprávame sa o horizonte asi štyroch rokov. Navyše, letieť na Mars sa dá len v určitých obdobiach, keď je planéta vo vhodnom postavení vzhľadom na polohu Zeme, čo efektívne znemožňuje včasnú dodávku potravín v prípade akejkoľvek peripetie, ktorá by mohla nastať počas takejto vesmírnej operácie.

Niesť si so sebou potravu na takúto dlhú dobu by náklady neúmerne zdvihlo – a ani nedávne zvýšenie rozpočtu NASA by nestačilo na ich pokrytie. Okrem toho, ani tie najpokročilejšie konzervačné a baliace technológie negarantujú, že si potraviny zachovajú svoju výživovú hodnotu počas podobne dlhých misií. V dôsledku nedostatku esenciálnych minerálov a vitamínov by tak astronauti mohli trpieť zdravotnými problémami s rôznymi stupňami závažnosti, ktoré by mohli ohroziť ich bezpečnosť. Napríklad nedostatok vápnika a fosforu znižuje pevnosť kostí a nedostatok vitamínu C spôsobuje vedie ku krvácaniu ďasien, vypadávaniu zubov, či prípadne až k smrti.

Prostredníctvom metód syntetickej biológie sa výskumníci z NASA snažia navrhnúť dehydratované potravinové balíčky na jedno použitie, ktoré budú obsahovať mikróby upravené tak, aby produkovali látky potrebné pre optimálnu výživu astronautov. K týmto balíčkom bude stačiť pridať vodu a mikróby začnú rásť a produkovať potrebné živiny. Po krátkej dobe budú môcť byť tieto mikróby deaktivované a astronauti si budú môcť pochutnávať na výživnom jedle – a snáď aj na chutnom!

Ak si myslíte, že je to absurdné, prípadne ešte ďaleké roky pred nami, mýlite sa! Jeden z mojich prednášajúcich na Imperiali, Rodrigo Ledesma Amaro, využil geneticky upravené kvasinky druhu Yarrowia lipolytica na výrobu netradičných mastných kyselín. Predstavte si, že mimoriadne blahodarné Omega3 nenasýtené mastné kyseliny, ktorých má prakticky každý z nás v potrave veľmi málo, budeme môcť vyrábať jednoducho a lacno v kvasinkách, ideálne aj s nejakou výbornou príchuťou. Už žiaden nechutný rybí olej izolovaný z treščích pečení!

Druhou oblasťou, v ktorej nám môže syntetická biológia pomôcť v kozmonautike, je takzvaný vesmírny „BioManufacturing“ alebo vesmírna biovýroba. Do vesmíru si zatiaľ všetky produkty musíme vyvážať už hotové. To však nie je úplne optimálne a dlhodobo udržateľné pri plánovaní dlhodobých misií. Čo keď sa naša skvelá a úžasná vesmírna loď pokazí a nám nezostanú náhradné súčiastky? Bruce Willis a chlapci z filmu Armaggedon by vedeli rozprávať!

Na Zemi napríklad stále využívame ropu na výrobu množstva vecí: od plastov, cez kozmetiku, až po stavebný materiál. Jednoducho, napriek našim zbožným želaniam a vytrvalej snahe, je bohužiaľ ešte stále ropa veľmi potrebná (a spolužiaci z odboru „Petroleum Engineering“ dostávajú svoje mastné nástupné platy!). Ropa sa však ťaží z organických materiálov na báze uhlíka, ktoré sa na ňu transformujú počas dlhých miliónov rokov hlboko pod zemským povrchom.

Syntetickí biológovia však nelenia a s využitím rýchlych fyzikálnych a chemických metód sa snažia nájsť spôsob, ktorým  by mohli oxid uhličitý premeniť na organické materiály. Tieto organické materiály môžu byť následne využívané geneticky upravenými bunkami na produkciu plastov, vlákien, tkaniny, či iných materiálov na výrobu vo vesmíre.

Zdá sa vám, že „geneticky upravené tričká“ sú utópiou? Vôbec to tak nie je – biotech startupy ako Modern Meadow, či VitroLabs pracujú na vytváraní syntetickej napodobeniny kože, keďže súčasné napodobeniny kože využívajú príliš veľa ropy, so všetkými dôsledkami pre životné prostredie. Aj preto som na nedávnej konferencii o syntetickej biológii v Londýne stretol Claire Bergkamp, šéfku oddelenia inovácií a udržateľnosti zo známej módnej značky Stella McCartney.

S využitím technológií genetického inžinierstva a napríklad 3D-tlačiarní by nám mohlo stačiť len niekoľko rôznych druhov materiálov, ktoré dokážeme nájsť na povrchu Marsu, na to, aby sme dokázali vytvárať nové nástroje a náhradné súčiastky podľa potreby.

Syntetická biológia má naozaj obrovský potenciál zlepšiť bezpečnosť a udržateľnosť vesmírnych misií. NASA momentálne testuje spomínané technológie na Zemi. Niektoré synteticko-biologické experimenty sa realizujú aj vo vesmíre. Napríklad jeden z experimentov od mojej dobrej známej Kate Adamala, profesorky z Minnesotskej Univerzity, bol úspešne zrealizovaný v júni 2018. Na palube rakety Terrier Orion sa vtedy podarilo vo vesmíre po prvý krát dosiahnuť expresiu proteínov v nebunkových syntetických systémoch. Že úplne nerozumiete? Nevadí, o nebunkovej syntetickej biológii sa snáď porozprávame nabudúce.

Nespomínal som iné zaujímavé spôsoby využitia syntetickej biológie vo vesmíre. Vôbec sme sa nerozprávali o jej význame pre pochopenie života ako takého, nerozprávali sme sa o výrobe personalizovaných liečivo vo vesmíre, či o prispôsobovaní sa organizmov na extrémne podmienky. Ak by ste sa však o tejto téme chceli dozvedieť viac, určite mi dajte vedieť!

A na záver by som si dovolil už len malú, filozofickejšiu poznámku. Pristátie Apolla 11 na Mesiaci je míľnikom, ktorý si budú pripomínať naši potomkovia snáď aj v 30. storočí ako tu najzaujímavejšiu udalosť 20. storočia. Od štartu Apolla 11 uplynulo 50 rokov a mnohí zaujímaví myslitelia tvrdia, že odvtedy sa nič NAOZAJ porovnateľne prelomové v oblasti technológií nestalo. Môže to byť kvôli reguláciám, či kvôli nášmu strachu a neochote riskovať. Verím, že to bude práve syntetická biológia, ktorá nám prinesie podobný intelektuálny a technologický prelom, aký nám prinieslo Apollo 11. O tom, čo by mohlo byť týmto prelomom si povieme nabudúce!

A aké sú tri hlavné veci, ktoré by sme si mali z tohto blogu odniesť? 

  1. Syntetická biológia môže astronautom poskytnúť výživnú a trvanlivú stravu prostredníctvom produkcie rôznych látok v mikróboch.
  2. Prostredníctvom biovýroby budeme môcť vyrábať nástroje a náhradné diely priamo vo vesmíre a za pomoci živých organizmov.
  3. Možnosti syntetickej biológie vo vesmíre sú obrovské a zahŕňajú astrofarmáciu, úpravu organizmov tak, aby sa vo vesmíre dokázali adaptovať a tiež potenciálne zistenia vedúce k lepšiemu pochopeniu pozemského života.

Kredit za cool novinky patrí skvelým vedcom a inžinierom, kritika za chyby a nepresnosti patrí mne. Ak nájdete chybu, alebo ak vás zaujíma téma ďalej, píšte na miroslav.gasparek15@imperial.ac.uk.

Referencie:

[1] Krátky článok o výzvach kozmonautiky, ktoré nám môže syntetická biológia pomôcť riešiť.

[2] Komplexný článok popisujúci možnosti a výzvy využitia syntetickej biológie vo vesmíre:  Menezes, A. A., Montague, M. G., Cumbers, J., Hogan, J. A., & Arkin, A. P. (2015). Grand challenges in space synthetic biology. J. R. Soc. Interface, 12.

[3] Prepis podcastu s Lynn Rothschild, ktorá sa venuje astrobiológii, v ktorom možno vybadať veľmi zaujímavý spôsob uvažovania nad pôvodom života.

Teraz najčítanejšie

Miroslav Gašpárek

Som absolventom magisterského štúdia biomedicínskeho inžinierstva na Imperial College London. Fascinujú ma aplikácie matematiky v medicíne, systémová biológia a syntetická biológia ktorým som sa počas štyroch rokov štúdia venoval v rámci výskumných stáží na Imperial College, California Institute of Technology a na Stanford University. Tiež rád uvažujem nad budúcnosťou medicíny a nad tým, ako môžeme prostredníctvom technológií zlepšiť fungovanie zdravotníckych systémov.