Длительное пребывание в космосе сопряжено со многими проблемами, одной из которых является длительная микрогравитация. Искусственная гравитация за счет вращения пока не применима на практике. В этом столетии мы можем увидеть вращающиеся космические станции, но не космические корабли, и нет практических концепций создания искусственной гравитации на Луне или Марсе. Подход НАСА к этой и другим подобным проблемам заключается в смягчении последствий – они не могут предотвратить проблему, поэтому учатся справляться с ее последствиями. Например, на МКС астронавты ежедневно проходят силовые тренировки, чтобы предотвратить потерю костной массы и мышц.
Однако одних физических упражнений недостаточно для предотвращения потери костной массы (остеопении), которая в среднем составляет около 1-2% в месяц. Это может быть приемлемо для нескольких месяцев пребывания на МКС, но НАСА планирует трехлетнюю миссию на Марс в 2030-х годах. Это потребует около 10 месяцев в пути до Марса и обратно и около года на самом Марсе. Это 20 месяцев в условиях микрогравитации и один год при марсианской силе тяжести, которая составляет 38% от земной. Вот почему НАСА инвестирует в передовые концепции космических кораблей – “добраться туда как можно быстрее” – это их основная стратегия снижения рисков, связанных с полетами в дальний космос.
Еще одна категория мер по снижению рисков – медицинские. Если мы сможем понять физиологию микрогравитации, то, возможно, сможем разработать медицинские вмешательства для компенсации этого. Например, они разрабатывают скафандр с отрицательным давлением, который, по сути, всасывает жидкость в нижние конечности, имитирует действие силы тяжести и предотвращает некоторые негативные последствия перераспределения жидкости в условиях длительной микрогравитации, такие как негативное воздействие на глаза.
Одним из способов уменьшить потерю костной массы является ежедневная инъекция паратиреоидного гормона (ПТГ), который стимулирует рост костей. Хотя это и работает, перевозить все лекарства и шприцы, необходимые для трехлетних таких инъекций, на весь экипаж “Марса” нецелесообразно. Поэтому исследователи работают над другими методами. Одна из идей была недавно представлена на весеннем собрании Американского химического общества (ACS) 2022 года – использование генно-инженерного салата-латука, который содержит трансген, который создает модифицированный ПТГ. Потенциально это отличная идея по нескольким причинам.
Овощи, выращенные на гидропонике, чрезвычайно полезны для длительных космических полетов. Большая часть продуктов, потребляемых астронавтами, сублимирована или консервирована. Если они хотят иметь доступ к свежим овощам, им придется выращивать их на месте. Свежие овощи, такие как салат-латук, были бы весьма полезным дополнением к их рациону, а также были бы полезны для их психологического здоровья. Длительные миссии на Марсе также выиграли бы от максимального использования местных ресурсов. Обеспечить трехлетний запас продовольствия для всего экипажа сложно (но, очевидно, возможно), но представьте, что на Марсе можно было бы создать самодостаточную ферму. Это могла бы быть гидропонная ферма или даже модифицированная марсианская почва. Такая ферма также производила бы кислород для дыхания и топлива. Для этого потребуется вода, которая теоретически может быть из местных источников, а также для приготовления пищи из CO2, содержащегося в атмосфере Марса, и переработанных отходов жизнедеятельности астронавтов. Еще одно преимущество заключается в том, что семена очень маленькие, и их транспортировка на Марс не займет много места или не утяжелит их.
Для получения растений, которые оптимально растут в этих условиях, была бы полезна генная инженерия. Мы могли бы использовать и другие методы выращивания, но нет причин отказываться от использования всего спектра технологий для выведения сортов с желаемыми свойствами. Использование трансгенных методов (то есть введение генов от отдаленных видов) также создает возможность использования растений для производства фармацевтических препаратов или других необходимых химических веществ. Чем больше астронавты смогут производить на Марсе, тем лучше. Таким образом, растения могли бы стать не только важным источником пищи и кислорода, но и портативными фармацевтическими фабриками.
В текущем исследовании использовался трансгенный салат-латук, который производит модифицированный ПТГ. Они объединили белок ПТГ с кристаллизуемым фрагментом (Fc) домена человеческого антитела. Белок PTH-Fc более стабилен, обладает более высокой биодоступностью и сохраняется в крови дольше, чем чистый ПТГ. Растение производит 10-12 миллиграммов ПТГ-Фк на килограмм свежего салата-латука, что означает, что астронавтам придется съедать около 8 чашек в день, чтобы удовлетворить свои потребности в предотвращении потери костной массы. Хотя это возможно, авторы признают, что это “большой салат”. Однако это только первый раунд. Им еще предстоит исследовать множество трансгенных растений, и некоторые из них могут иметь значительно более высокую экспрессию. У них есть время доработать ГМО-салат, чтобы повысить концентрацию ПТГ-Fc еще больше. Надеемся, что им удастся довести его до уровня “гарнира” на каждый день.
Такой подход открывает множество возможностей, помимо простого смягчения остеопении (или более тяжелого остеопороза) в результате длительных космических путешествий. У астронавтов потенциально может быть настоящая аптека, которую они смогут выращивать на месте по мере необходимости. Кроме того, даже просто для приготовления пищи будет очень полезно использовать различные растения (не только салат-латук). В конечном итоге в состав этого салата могут входить помидоры, огурцы, перец и фасоль.
Эта технология может найти применение и на Земле. Гидропонное садоводство, как я уже говорил ранее, очень эффективно использует землю и воду и, вероятно, в будущем станет важнейшим методом ведения сельского хозяйства. Разработка сортов, оптимизированных для гидропоники, была бы полезна как в космосе, так и на Земле. Кроме того, разработка растений с улучшенными питательными веществами и даже фармацевтических препаратов, таких как PTH-Fc, может найти применение на Земле. В бедных странах, не имеющих доступа к надлежащему медицинскому обслуживанию (что, очевидно, является проблемой, требующей непосредственного решения), негативные последствия могут быть смягчены, по крайней мере, на данный момент, путем предоставления трансгенных растений для получения необходимых лекарств. И поскольку этот метод также позволяет производить продукты питания, он не вытесняет производство продуктов питания.
Независимо от того, какие области применения окажутся выполнимыми, выращивание трансгенных фармацевтических растений является хорошей технологией для разработки.
