Różnice między próbkami mikroglonów wysłanymi na Międzynarodową Stację Kosmiczną a tymi hodowanymi równolegle na Ziemi okazały się znacznie większe, niż przewidywali badacze. Eksperyment „Space Volcanic Algae” zrealizowany w ramach polskiej misji IGNIS pokazał, że mikrograwitacja i promieniowanie kosmiczne wywołują głębokie zmiany w funkcjonowaniu komórek, od poziomu genów po intensywność fotosyntezy. To pierwszy tak szeroki polski projekt biotechnologiczny przeprowadzony na orbicie okołoziemskiej.

Misja IGNIS była częścią komercyjnego lotu Axiom-4 na ISS, realizowanego przez firmę Axiom Space we współpracy z NASA i Europejską Agencją Kosmiczną. Wśród 13 eksperymentów znalazły się badania przygotowane przez polskie zespoły naukowe i technologiczne. „Space Volcanic Algae”, prowadzony przez firmę Extremo Technologies, przeprowadził na pokładzie ISS astronauta dr Sławosz Uznański-Wiśniewski – drugi Polak w historii, po Mirosławie Hermaszewskim, który poleciał w kosmos.

Mikrograwitacja zmienia ekspresję genów

Badane mikroglony należą do organizmów ekstremofilnych, zdolnych do przetrwania w warunkach wysokiego zasolenia, zmiennego pH czy obecności metali ciężkich. Zakładano, że dobrze poradzą sobie również w przestrzeni kosmicznej. Analizy genetyczne przeprowadzone po powrocie próbek na Ziemię wykazały jednak rozległe zmiany w ekspresji genów w porównaniu z próbkami kontrolnymi.

Zespół z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN oraz naukowcy z Collegium Medicum Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, kierowani przez prof. Marcina Woźniaka, odnotowali zmiany obejmujące geny związane z syntezą białek, kwasów nukleinowych i metabolitów wtórnych. Część aktywowanych w mikrograwitacji genów pozostaje na Ziemi zwykle mało aktywna. Oznacza to, że środowisko orbitalne może uruchamiać w komórkach alternatywne ścieżki metaboliczne.

Z perspektywy biologii molekularnej to cenna informacja. Zmiany ekspresji genów utrzymały się mimo kilkugodzinnego oddziaływania ziemskiej grawitacji po powrocie próbek, co świadczy o względnej stabilności wywołanych modyfikacji. Otwiera to drogę do badań nad kontrolowanym wykorzystaniem mikrograwitacji jako czynnika regulującego metabolizm komórek.

Więcej fotosyntezy na orbicie

Jednym z najbardziej zaskakujących wyników był wzrost intensywności fotosyntezy w warunkach orbitalnych. Mikroglony na ISS pochłaniały więcej dwutlenku węgla i produkowały więcej tlenu niż ich odpowiedniki na Ziemi. Pomiarów dokonywano za pomocą specjalistycznego sensora tlenu opracowanego przez zespół badawczy we współpracy z inżynierami z Obserwatorium w Tartu.

W kontekście planowanych długotrwałych misji załogowych na Księżyc i Marsa ma to znaczenie praktyczne. Mikroorganizmy zdolne do wydajnej fotosyntezy mogą stać się elementem biologicznych systemów podtrzymywania życia, odpowiadających za regenerację powietrza i przetwarzanie odpadów. Badania nad ich funkcjonowaniem wpisują się w szerszy nurt astrobiologii i inżynierii środowiskowej, w których matematyczne modelowanie procesów biologicznych odgrywa równie ważną rolę jak same eksperymenty.

Zwiększona aktywność metaboliczna w mikrograwitacji może być reakcją adaptacyjną na stres wywołany promieniowaniem kosmicznym. W pierwsze zmiany obserwowano już po około siedmiu dniach misji trwającej ponad dwa tygodnie. Dynamika tych procesów wskazuje, że organizmy jednokomórkowe potrafią szybko reorganizować swoje funkcje życiowe w nowych warunkach fizycznych.

Polska biotechnologia w kosmosie

Realizacja eksperymentu wymagała skoordynowanej współpracy środowisk naukowych i inżynieryjnych w Polsce oraz partnerów zagranicznych. Próbki przygotowano w krajowym laboratorium, następnie trafiły do Stanów Zjednoczonych, skąd zostały wyniesione na orbitę kapsułą Dragon. Ze względu na przesunięcia startu misji Axiom-4 konieczne było podejmowanie decyzji logistycznych dotyczących trwałości materiału biologicznego.

Misja IGNIS pokazuje, że polskie zespoły potrafią prowadzić złożone projekty łączące biologię molekularną, inżynierię środowiska i technologie kosmiczne. Wpisuje się to w tradycję nauki kopernikańskiej, w której obserwacja zjawisk przyrodniczych łączy się z precyzyjną analizą matematyczną i praktycznym zastosowaniem wiedzy. Tak jak Mikołaj Kopernik łączył astronomię z medycyną, ekonomią i prawem, tak współczesne badania kosmiczne wymagają przekraczania granic między dyscyplinami.

Doświadczenia zdobyte podczas realizacji „Space Volcanic Algae” mogą stać się punktem wyjścia dla kolejnych polskich projektów na orbicie. Rozwój biotechnologii kosmicznej pozostaje nie tylko wyzwaniem inżynieryjnym, lecz także obszarem badań podstawowych nad funkcjonowaniem życia w zmienionych warunkach grawitacyjnych.