Eine neue Methode zum Züchten von Cyanobakterien unter Marsbedingungen wurde entwickelt
Die NASA plant in Zusammenarbeit mit anderen führenden Weltraumagenturen, ihre ersten Missionen mit Besatzung Anfang der 2030er Jahre zum Mars zu schicken, während Unternehmen wie SpaceX dies möglicherweise noch früher tun.
Die Menschen auf dem Mars brauchen Sauerstoff, Wasser, Nahrung und andere Vorräte. Sie müssen vom Mars kommen, weil der Import von der Erde auf lange Sicht unpraktisch wäre. Wissenschaftler haben nun erstmals gezeigt, dass Cyanobakterien Anabaena nur mit lokalen Gasen, Wasser und anderen Nährstoffen und unter niedrigem Druck gezüchtet werden können. Dies erleichtert die Entwicklung nachhaltiger biologischer Lebenserhaltungssysteme erheblich.
„Wir zeigen, dass Cyanobakterien die Gase in der Marsatmosphäre bei niedrigem Gesamtdruck als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle nutzen können. Unter diesen Bedingungen behielten Cyanobakterien die Fähigkeit, in Wasser zu wachsen, das nur Marsstaub enthielt, und konnten weiterhin zur Fütterung anderer Mikroben verwendet werden. Dies könnte dazu beitragen, langfristige Missionen zum Mars nachhaltig zu gestalten “, sagt Studienleiter Dr. Cyprien Verse, Astrobiologe an der Universität Bremen.
Niederdruckatmosphäre
Cyanobakterien gelten seit langem als Kandidaten für das biologische Leben in der Raumfahrt, da alle Arten durch Photosynthese Sauerstoff produzieren, während einige Luftstickstoff für Nährstoffe binden können.
Die Schwierigkeit liegt in der Tatsache, dass sie nicht direkt in der Marsatmosphäre wachsen können, wo der Gesamtdruck weniger als 1% des Erddrucks beträgt - von 6 bis 11 GPa, was für das Vorhandensein von flüssigem Wasser zu gering ist, während der Teil Der Druck von gasförmigem Stickstoff liegt zwischen 0,2 und 0,3. GPa ist zu gering für ihren Stoffwechsel.
Die Wiederherstellung einer erdähnlichen Atmosphäre wäre jedoch ein kostspieliges Unterfangen: Die Gase müssten importiert werden, während das Kultivierungssystem zuverlässig sein müsste - daher schwer zu transportieren, um Druckänderungen standzuhalten. Daher suchten die Forscher nach einem Mittelweg: einer Atmosphäre in der Nähe des Mars, in der Cyanobakterien gut wachsen können.
Um geeignete atmosphärische Bedingungen zu finden, Wissenschaftler. haben einen Bioreaktor namens Atmos (für „Atmosphärentester für mit dem Mars assoziierte organische Systeme“) entwickelt, in dem Cyanobakterien in künstlicher Atmosphäre bei niedrigem Druck gezüchtet werden können.
Jede Substanz muss vom Roten Planeten selbst stammen: Neben Stickstoff und Kohlendioxid, in der Marsatmosphäre reichlich vorhandenen Gasen und Wasser, das aus Eis gewonnen werden kann, müssen Nährstoffe aus dem "Regolith" stammen, dem Staub, der den Planeten bedeckt . Der Marsregolith ist reich an Nährstoffen wie Phosphor, Schwefel und Kalzium.
Anabaena: vielseitige Cyanobakterien, die auf Marsstaub gezüchtet werden
Atmos verfügt über neun 1-Liter-Glas- und Stahlgefäße, die jeweils steril, erhitzt, druckgesteuert und digital gesteuert sind, während die Kulturen kontinuierlich im Inneren gerührt werden.
Die Autoren wählten den Stamm der stickstofffixierenden Cyanobakterien Anabaena sp. PCC 7938, da vorläufige Tests gezeigt haben, dass es die Ressourcen des Mars besonders gut nutzt und zum Wachstum anderer Organismen beiträgt. Es wurde gezeigt, dass die eng verwandten Arten essbar, gentechnisch verändert und in der Lage sind, spezialisierte ruhende Zellen zu bilden, um in rauen Umgebungen zu überleben.
Wissenschaftler haben Anabaena zum ersten Mal seit 10 Tagen unter einer Mischung aus 96% Stickstoff und 4% Kohlendioxid bei einem Druck von 100 GPa gezüchtet - zehnmal niedriger als auf der Erde. Cyanobakterien wuchsen ebenso wie unter normalen Bedingungen.
Anschließend testeten sie die Kombination einer modifizierten Atmosphäre mit Regolith. Da noch nie ein Regolith vom Mars gebracht worden war, verwendeten sie ein von der University of Central Florida entwickeltes Substrat („Mars Global Simulator“), um eine Wachstumsumgebung zu schaffen. Als Kontrolle wurden Anabaenae in einer Standardumgebung entweder in Umgebungsluft oder in derselben künstlichen Niederdruckatmosphäre gezüchtet.
Cyanobakterien wuchsen unter allen Bedingungen gut, einschließlich im Regolith unter einer Mischung, die bei niedrigem Druck reich an Stickstoff und Kohlendioxid ist. Wie erwartet wuchsen sie auf Standardmedien, die für Cyanobakterien optimiert waren, in jeder Atmosphäre schneller als auf dem Martian Global Simulator. Aber es ist immer noch ein großer Erfolg: Während das Standardmedium von der Erde importiert werden müsste, ist Regolith auf dem Mars allgegenwärtig. "Wir wollen die auf dem Mars verfügbaren Ressourcen für Nährstoffe nutzen, und nur für sie", sagen die Forscher.
Die getrocknete Anabaena-Biomasse wurde zerkleinert, in sterilem Wasser suspendiert, filtriert und erfolgreich als Substrat für das Wachstum von E. coli-Bakterien verwendet, was beweist, dass Zucker, Aminosäuren und andere Nährstoffe daraus extrahiert werden können, um andere Bakterien zu füttern, die weniger robust sind, aber bewährte biotechnologische Werkzeuge.
Zum Beispiel kann E. coli leichter als Anabaena hergestellt werden, um auf dem Mars Lebensmittel und Medikamente herzustellen, die Anabaena nicht liefern kann.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass stickstofffixierende, sauerstoffproduzierende Cyanobakterien auf dem Mars bei niedrigem Druck unter kontrollierten Bedingungen unter Verwendung nur lokaler Inhaltsstoffe effizient gezüchtet werden können.
Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt nach vorne. Die Autoren warnen jedoch davor, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind: „Wir möchten von diesem Proof of Concept zu einem System übergehen, das auf dem Mars effektiv eingesetzt werden kann“, sagt Cyprien Versay.
Wissenschaftler schlagen vor, die für das Wachstum optimale Kombination von Druck, Kohlendioxid und Stickstoff zu optimieren und andere Arten von Cyanobakterien zu testen, die möglicherweise genetisch für die Raumfahrt angepasst sind. Es ist auch notwendig, ein Kultivierungssystem für den Mars zu entwickeln:
„Unser Atmosphere Bioreactor ist nicht das Kultivierungssystem, das wir auf dem Mars verwenden würden. Er wurde entwickelt, um die Bedingungen auf der Erde zu testen, die wir dort bereitstellen werden. Unsere Ergebnisse werden jedoch zur Entwicklung eines marsianischen Kultursystems beitragen. Zum Beispiel bedeutet der niedrigere Druck, dass wir eine leichtere Struktur entwickeln können, die einfacher zu transportieren ist, da sie den großen Unterschieden zwischen Innen- und Außenraum nicht standhalten muss “, schließt Cyprien Verse.