Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

Идея не сводится к тому, чтобы доставить экстремофилов на другую планету и оставить их там на произвол судьбы. Нет, по мере совершенствования, удешевления технологий синтеза ДНК они станут применяться в космосе и на других планетах. Благодаря их использованию мы сможем ускорить биологическую эволюцию любого организма почти до скорости света.

Предположим: мы основали базу на Марсе и ее жители начинают серьезно страдать из-за повреждения тканей. В то же время на Земле создается продукт на основе генно-модифицированного микроорганизма, улучшающий репарацию тканей. Данные о генетических последовательностях, необходимых для производства этого продукта, можно передать с Земли на Марс (на эту операцию требуется от трех до 22 минут в зависимости от взаимного расположения планет). Как только информация поступит на Марс, ДНК нужного организма можно будет напечатать – и живая культура этого организма окажется на Марсе и сможет там производить нужный продукт. Аналогично если мы откроем новые организмы на Марсе или на Титане (при этом подразумевается, что их ДНК во многом напоминает нашу), то их ДНК можно будет секвенировать, проанализировать, оцифровать и в такой форме отправить на Землю для последующего синтеза и изучения в условиях, где нет ограничения ресурсов. В дальнейшем такая практика позволит исследователям на других планетах и спутниках быстрее находить методы адаптации к новым условиям.

Такая «двусторонняя биология» произведет революцию в наших представлениях о передаче биологической информации в межзвездных масштабах. Это позволит не только найти решения, помогающие людям выжить на Марсе, но и получить обратную связь, которая облегчит устранение некоторых наиболее острых земных проблем. Подобные надежды высказываются в дискуссиях представителей Марсианского общества, NASA и других космических агентств.

В 2018 г. Шеннон Нэнгл и Михаил Вольфсон организовали дискуссионную площадку Viriditas, призванную объединить опыт промышленников, ученых и представителей правительства, намеренных ускорить высадку на Марс и создание там базы. Ее участники наметили план освоения Марса по той модели, что изложена в книгах Робинсона. В нем представлен четкий набор целей, которые нужно достичь на Марсе, а затем и на Титане. Они касаются, в частности, естественной биоемкости, биопроизводства и биорекультивации.

Биопроизводство, как говорилось выше, – это способность получать сложную молекулярную продукцию. Биопроизводство известно человечеству уже не одно тысячелетие и продолжает применяться в таких областях, как пекарское дело, синтез антибиотиков и пивоварение, а также получение рекомбинантного инсулина, клеток CAR-T и инновационных биоматериалов, в частности синтетической паутины. Биорекультвация – важная часть утилизации городских отходов с начала XIX в. В настоящее время при биорекультивации активно задействуется клеточный метаболизм, позволяющий преобразовывать вредные или бесполезные отходы в более безопасную и полезную форму. Большинство людей об этом не задумывается, но кал, моча и прочие отходы хорошо поддаются переработке. Большие успехи в биорекультивации наблюдаются на МКС. Там перерабатывается 93 % всех жидких отходов, в том числе моча, конденсат и пот членов экипажа. Процесс переработки занимает восемь дней, а на выходе получается вода, которая чище основной массы питьевой воды на Земле. Когда Скотта Келли спросили, доводилось ли ему на МКС «пить собственную мочу», он улыбнулся и ответил: «И не только свою».

В идеале системы для переработки отходов должны устанавливаться прямо в обитаемых блоках и не допускать существенного загрязнения. Поначалу биотехнологические установки будут применяться в качестве резервных, но с их освоением именно биотехнология превратится в основное средство синтеза и возобновления ресурсов.

Провиант издалека

Производство пищи – одна из самых естественных и жизненно важных областей применения биотехнологии на других планетах. В долгосрочной перспективе от производства пищи будут зависеть все экспедиции. В фантастических романах астронавты часто питаются «кашицей», содержащей все жизненно важные аминокислоты и питательные вещества. Это месиво якобы выглядит, пахнет и ощущается одинаково – что до попадания в кишечник, что после. В XXI в. пища космонавтов куда ароматнее, однако, хотя космическое питание разрабатывается с прицелом на максимальную эффективность, ему далеко до идеала. Но в длительных и далеких экспедициях рацион космонавтов должен быть разнообразным, приятным, питательным и вкусным, чтобы психологически людям было комфортнее. Возможность ухаживать за цветущими растениями и ощущать их запах поможет поддерживать дух экипажа в течение долгого путешествия.

На корабле мало места и важен каждый кубический сантиметр. Примерно с такими же ограничениями сталкиваются городские любители, которым приходится выращивать некрупные растения на стеллажах с небольшими лотками. Недостаток места компенсируется урожайностью. Плантации в закрытом помещении функционируют круглый год при оптимально подобранной влажности, освещении и температуре, поэтому и плодоносят растения гораздо лучше, чем в традиционном сельском хозяйстве. Как показывает опыт, чем короче интервал между сборами урожая, тем больше продукции можно получить. Эти уроки имеют прямое отношение к культивированию сельхозкультур на космических кораблях и на других планетах.

Подобные варианты оптимизации уже описаны в литературе. В частности, изучением этих проблем занимается Закари Липпман из лаборатории Колд-Спринг-Харбор и Майкл Шатц из Университета Джонса Хопкинса. В 2015 г. Липпман и его группа вывели новый сорт томатов с повышенной урожайностью и ускоренным созреванием, откорректировав работу трех генов (SP, SP5G и SIER) – они регулируют репродуктивный рост, время цветения и длину стебля. Редактирование этих генов при помощи технологии CRISPR позволило повысить скороспелость растений. Кроме того, у томатов укоротился стебель, они стали компактнее.

Наряду с генно-модифицированными оптимизированными растениями, как те, что получились у Липпмана, можно задействовать в качестве пищевых добавок полезные микроорганизмы и определенную микрофлору. Например, в XXI в. широко распространилась практика ферментативного производства вкусовых добавок и продуктов неживотного происхождения. Такие разработки помогут значительно улучшить качество пищи, в частности ее вкус. Для успешного развертывания таких производств на других планетах необходимо совместно выводить на целевой планете как пищевые культуры, так и ферментирующие их организмы. Например, при акклиматизации на Марсе единственными доступными источниками углерода для микроорганизмов будут CO2 и CH3OH, а всей системе придется функционировать в условиях жесткого излучения и загрязнения.

Как бактерии, расцепляющие метанол, так и литоавтотрофы, использующие углекислый газ для ферментации, разнообразят рацион экипажа, на них можно будет опробовать производство пищи на Марсе. Как известно из опыта на Земле, ферментация может происходить в биореакторах, где генетически модифицированные организмы будут синтезировать сложные углеводы и белки. Уже охарактеризован геном некоторых метилотрофных организмов, в частности Methylophilus methylotrophus и Pichia pastoris. Их можно оптимизировать для промышленного культивирования и задействовать в крупномасштабном производстве. Кроме того, если встроить метилотрофные гены в E. coli, это позволило бы улучшить вкус, текстуру и питательные свойства получаемых продуктов, как продемонстрировал Йенс Шрадер из Института Карла Виннакера. Биореакторы с такими организмами показывают очень высокую эффективность. В одном аппарате объемом 50 м3 можно получить столько белка, сколько дают 10 га посадок сои, а урожай созревает за считаные дни. Таким же образом можно модифицировать литоавфтотрофы, чтобы они одновременно окисляли водород и связывали углекислый газ, генерируя таким образом олигосахариды, белки и жирные кислоты для питания.

На Земле уже существуют технологии промышленного выращивания водорослей, в частности Arthrospira platensis, для производства продуктов питания и биотоплива. Но они плохо поддаются коммерциализации из-за высоких капитальных затрат на реакторы и обеспечение высокой концентрации углекислого газа, необходимой для оптимизации производства. Марсианская атмосфера богата CO2, поэтому там эта проблема превращается в преимущество. При сочетании клеточной инженерии и эффективной технологии освещения, подобной квантовым точкам, которые мы обсуждали выше, фотоавтотрофы на других планетах вполне могут синтезировать пищу, богатую углеводами, белками и жирными кислотами.

Чтобы наладить производство пищи, прежде всего нужно научиться культивировать растения и получать нужные вещества на новой планете, в идеале (почти) без обработки. Далее можно перейти к выращиванию фотоавтотрофов на гидропонных фермах в контролируемых условиях, а также культивировать в грунте земные растения с высокой энергетической ценностью, для начала – сою, картофель и арахис. Для Марса с его слабой инсоляцией, пыльными бурями, отличным от земного профилем питательных микроэлементов и потенциально токсичным грунтом, нужны модифицированные растения, способные развиваться как на Земле. При помощи генно-модифицированных бактерий можно подготовить грунт к высаживанию растений. Благодаря этим мерам марсианские колонисты смогут добиться самообеспечения и протестировать технологии для полета