Використовуючи рослини, астронавти можуть створювати свої ліки

Коли астронавти досліджують Місяць, Марс та інші напрямки, що знаходяться далеко від Землі в майбутньому, їм потрібно бути максимально самодостатніми. Це абсолютна необхідність, враховуючи, що місії, які працюють за межами низької земної орбіти (LEO), не можуть бути поповнені протягом кількох годин. Це в основному означає, що дослідження глибокого космосу та бази повинні виробляти достатньо повітря, води, їжі, пального та інших необхідностей, щоб задовольнити свої потреби та підтримувати місію.

Зазвичай це підпадає під заголовок використання ресурсів на місці (ISRU), в якому місцеві ресурси збираються та використовуються для виробництва будівельних матеріалів та необхідних речей. Інакше астронавти повинні брати з собою все, що їм потрібно, включаючи рослини, які видаляють вуглекислий газ, виробляють кисень і навіть забезпечують джерело рослинного білка. Згідно з новими дослідженнями, які проводяться в Університеті Каліфорнії в Сан-Дієго (UCSD), взяття рослин із собою в подорож може мати додаткову перевагу у виробництві ліків.

Дослідження проводилося інженерами з кафедри хімічної та наноінженерії сім'ї Aiiso Yufeng Li UCSD. До них приєдналися дослідники з Центру наноімунної інженерії UCSD, лабораторії Shu і K.C. Chien та Peter Farrell, Інституту відкриттів і дизайну матеріалів, Центру раку Муреса, Центру інженерії в раку Інституту інженерії в медицині та інших. Результати міждисциплінарної команди були опубліковані 5 червня в npj Science of Plants.

У своїй статті команда описала простий метод вирощування та багаторазового збору фармацевтичних препаратів з рослин у мікрогравітації, не знищуючи рослини та не генеруючи великі обсяги відходів. Протягом більше десяти років Стейнметц та її колеги вивчали рослинний вірус, відомий як вірус мозаїки квасолі (CPMV). Цей вірус зазвичай відомий тим, що інфікує бобові, але команда Стейнметц зосередилася на його здатності стимулювати імунну систему для атаки на ракові клітини.

У доклінічних дослідженнях на мишах та клінічних дослідженнях на собаках з раком CPMV виявився ефективним у боротьбі з пухлинами. Щоб продемонструвати свій метод, команда Стейнметц використовувала рослини Nicotiana benthamiana та чорнобривці для виробництва CPMV. Наступним кроком є процес екстракції, який зазвичай передбачає збирання листя та його подрібнення. Патрік Опденстейн, постдокторант у лабораторії Стейнметц і перший автор статті, пояснив:

Вирощування сполуки в цих рослинах є простим. Вони можуть виробляти велику кількість біомаси за короткий проміжок часу, а більше біомаси означає більше продукту. Основна складність зараз полягає в тому, як витягти продукт з рослин. Ви отримуєте щось, що виглядає як смузі, і ви можете уявити, що витягти ваш продукт з цього смузі є складним завданням. Обладнання, яке ми використовуємо для цього, займає всю нашу лабораторію. Ви не можете вмістити все це на космічному кораблі.

Щоб спростити процес, команда звернулася до підходу виробництва фармацевтичних препаратів, відомого як секреція продукту. Ця техніка базується на хімічних продуктах бактеріальних та ссавцевих клітин, але також може бути використана з рослинами. У цьому випадку хімічні продукти секретуються в відділення всередині листя, яке називається апопластом, мережею взаємопов'язаних просторів за межами плазматичної мембрани.

Дослідники виявили, що вони можуть екстрагувати CPMV з апопласту, зберігаючи листя цілими, спочатку занурюючи їх у буферний розчин. Потім їх поміщають у герметичний посуд під вакуумом, що призводить до заповнення апопласту рідиною. Коли листя насичується, їх поміщають у флакони та центрифугують на низькій швидкості, щоб витягти рідину, багатий на CPMV. Ця рідина потім очищається через фільтр, який відокремлює більші частинки CPMB від менших і непридатних шматочків рослинного матеріалу.

Цей метод екстракції має багато переваг над сучасними системами виробництва фармацевтичних препаратів, які вимагають великих резервуарів та стерильних умов. І, як зазначено, рослини вже вирощуються в космосі для забезпечення поживними речовинами та переробки повітря і води. Метод також легко масштабувати, як продемонстрували дослідники, збираючи та очищаючи частинки CPMV з більш ніж 50 рослин менш ніж за дві години. Оскільки листя залишаються цілими, рослини можуть продовжувати рости і потенційно можуть бути зібрані знову і знову.

Щоб змоделювати мікрогравітаційне середовище космосу, команда співпрацювала з професором Мазіаром Газінеджадом та його лабораторними техніками з кафедри механічної та аерокосмічної інженерії UCSD. Газінеджад та його колеги створили спеціально розроблену машину випадкового позиціонування, яка постійно обертала рослини, щоб ефективно протидіяти гравітації. Ці машини зазвичай використовуються для вивчення того, як матеріали поводяться в мікрогравітації, але Стейнметц і Газінеджад побачили можливість адаптувати цей підхід для досліджень рослин.

Щоб завершити симуляцію, рослини піддавалися коливанням температури та окислювальному стресу, які імітували вплив космічної радіації. Це призвело до незначного збільшення виробництва CPMV у деяких випадках, що, на думку дослідників, пов'язано з його природою як рослинного вірусу. "Рослини стають більш сприйнятливими до хвороб, коли вони під стресом, що зазвичай є недоліком", - сказав Опденстейн. "Але оскільки наш продукт походить з рослинного вірусу, ми можемо використовувати цю реакцію на стрес для збільшення врожайності."

Цей метод вирішує одну з найгостріших потреб для здоров'я та безпеки астронавтів під час тривалих місій: наявність потенційно життєво важливих ліків. Проведення тривалих періодів у космосі, де астронавти піддаються мікрогравітації та підвищеній радіації, може серйозно вплинути на людське тіло. Більше того, місії на Міжнародній космічній станції (МКС) виявили, що багато ліків швидше розкладаються в космосі, причому більше половини терміни придатності закінчується протягом трьох років.

Для місій на Марс час, необхідний для одного транзиту (6-9 місяців), означає, що багато з життєво важливих ліків, які вони перевозять, стануть неефективними до того, як вони повернуться додому. Час транзиту між Землею та Марсом також робить місії з поповнення запасів абсолютно непрактичними. Метод команди використовує той факт, що рослини регулярно генерують корисні сполуки, які можуть бути використані як ліки. Це ефективно робить їх потенційними фабриками ліків, які вимагають дуже мало ресурсів і виробляють мало відходів - ще одна перевага під час подорожі далеко від дому в герметичному космічному кораблі.

"З рослинами ви можете вирощувати складні терапевтичні сполуки, використовуючи світло, воду та ґрунт", - сказала Ніколь Стейнметц, завідувач кафедри хімічної та наноінженерії сім'ї Aiiso Yufeng Li UCSD. Тим часом команда продовжить вивчати, як умови в космосі впливають на процеси рослин (наприклад, поглинання води та поживних речовин) в надії, що їхній метод буде протестовано на реальних космічних місіях у найближчому майбутньому.

Вони також працюватимуть з Лабораторією ракетного двигунобудування UCSD, щоб перевірити, як насіння рослин та генетичні матеріали, використані в їхньому процесі, піддаються стресам під час запуску в космос. Крім того, вони сподіваються, що їхній метод призведе до наземних застосувань, які можуть забезпечити виробництво фармацевтичних препаратів за низькою вартістю в районах Землі з обмеженими ресурсами. Для бідних країн і спільнот, а також тих, хто страждає від наслідків зміни клімату, можливість виробляти фармацевтичні препарати на місці, використовуючи рослини, може врятувати безліч життів!