Космические биотехнологические исследования уже не являются фантастикой: они позволяют создать автономные системы жизнеобеспечения для космонавтов, выявить воздействие интенсивного излучения и микрогравитации на клетки и живые организмы, а также протестировать инновационные решения в области медицины, биологии и биобезопасности. В преддверии Форума будущих технологий, где центральной темой деловой программы станет «Биоэкономика для человека», мы расскажем о работах и перспективных исследованиях российских ученых, а также о возникающих на их пути сложностях.
Космические исследования – сложная задача, требующая знаний и усилий специалистов из множества научных областей. Поиск ответов на технические вопросы и изучение воздействия космических перелетов и нахождения на орбите на организм человека важны, но недостаточны. Не менее необходимо создать безопасную среду обитания, максимально приближенную к земным условиям, чтобы во время перелета, на орбите и на других планетах экипаж мог быть максимально независимым. Достичь этой цели могли бы биорегенеративные системы жизнеобеспечения, разработке которых будет посвящена сессия «Вне Земли: биотехнологии и космос», которая состоится 26 февраля на Форуме будущих технологий. В мероприятии примет участие научный руководитель Федерального исследовательского центра «Биотехнологии» РАН, академик Владимир Попов. Попробуем понять некоторые особенности космических биотехнологий, область, которая до недавнего времени воспринималась как нечто из области фантазий.
Биотехнологии на орбите: от инфраструктуры до маркетинга
В космической отрасли значительное внимание уделяется разработке инновационных производственных систем. «В настоящее время все больше частных и государственных проектов в сфере космических биотехнологий направлены на создание необходимой базы для проведения исследований, включающей орбитальные биолаборатории, автоматизированные установки для выращивания растений и, к примеру, специализированные микрочиповые лаборатории. Предприятия видят значительный потенциал в этой области, поскольку микрогравитация, присущая космическому пространству, формирует особую научно-производственную среду, позволяющую получать продукты с исключительными свойствами », — рассказывает Антон Костинов, сотрудник Федерального исследовательского центра «Биотехнологии» РАН, руководитель экспертно-аналитической практики Ассоциации «ТП БиоТех2030».
Эксперты отмечают, что наиболее востребованными являются исследования, направленные на обеспечение длительного пребывания космонавтов в космосе без регулярных поставок с Земли. Для людей, находящихся на орбите или, в будущем, на других небесных телах, необходимы не только кислород и питание, но и вакцины, медикаменты, а также защита от вредного излучения и токсичных соединений. Решение этих задач возможно благодаря биотехнологиям.
Разработки в данной сфере могут быть прибыльными и на Земле. К тому же, при эффективном использовании маркетинга, ориентированного на космос, исследования и продукты, которые в нем упоминаются, вызывают значительный интерес и завоевывают популярность среди потребителей. Наглядным примером служит реклама лабораторных исследований, которые проходят космонавты. Благодаря такому «космическому» подходу к маркетингу, компания «ИНВИТРО» привлекла 2,5 миллиона клиентов в год, несмотря на то, что технологии самого исследования не имели отношения к космосу.
«Биотехнологическая Одиссея»: из фантастики в реальность
«Наши космические биотехнологические эксперименты уже давно перестали быть фантастикой и стали инструментом решения земных задач, поскольку космос — это экстремальная лаборатория с жесткими ограничениями», — отметил участник сессии «Биотехнологическая Одиссея» на форуме «БИОПРОМ», командир отряда космонавтов, Герой России Олег Кононенко, инструктор-космонавт-испытатель, заместитель начальника ЦПК им. Ю.А. Гагарина.
Значительное количество исследований посвящено разработке продуктов питания для космонавтов. Разнообразные микроорганизмы способны к простому размножению в биореакторах и могут служить источником белка и витаминов. Зеленая одноклеточная водоросль спирулина, осуществляя фотосинтез, также поглощает углекислый газ и выделяет кислород. Именно ее российские ученые выбрали для эксперимента под названием «Фотобиореактор». В нем водоросли культивируются в сменных модулях, оснащенных автоматизированной системой освещения и подачей питательных веществ.
Еще один перспективный российский проект связан с разработкой методики производства свежих кисломолочных продуктов в условиях космоса с использованием бактериальных культур. Полученный таким образом пробиотик может выступать в роли функционального питания, оказывающего положительное влияние на микрофлору кишечника и иммунную систему.
Для удаления микроорганизмов из воздуха на космической станции или корабле российские ученые создали прибор «Электронный нос» — газовую сенсорную систему, основанную на искусственном интеллекте. Эта разработка позволит отказаться от ручного забора проб и их последующего анализа на Земле, поскольку она способна обнаруживать микроорганизмы, идентифицировать их и определять их концентрацию непосредственно на борту. В сочетании с «Электронным носом» для очистки воздуха может использоваться система фотокаталитической минерализации. В фильтре содержится специальный фотокатализатор, который активируется под воздействием ультрафиолетового излучения. Проходящий через систему воздух подвергается воздействию ультрафиолета, что приводит к разрушению органических загрязнений и очищению от микроорганизмов и вирусов, размер которых составляет менее нескольких десятков микрометров.
Обеспечение качества питьевой воды для космонавтов является еще одной значимой задачей. Традиционный химический анализ, применяемый на МКС, имеет ограничения: он не позволяет выявить неизвестные загрязнители и комплексы токсичных соединений. Российские исследователи создали и испытали новую методику, основанную на использовании флуоресцентных бактерий, интенсивность свечения которых снижается при воздействии вредных веществ.
Этот перечень тем для исследований не является исчерпывающим. На российском орбитальном комплексе ученые проводят испытания и внедряют перспективные разработки в различных областях биотехнологий. Среди них – технологии трехмерной биопечати с использованием живых клеток, составы, способствующие росту растений, исследование воздействия новых факторов на развитие винных дрожжей и активность разнообразных ферментов, а также другие направления.
Бег с препятствиями: как не отстать в космической гонке?
Орбитальные станции и космические аппараты, с одной стороны, открывают исключительные возможности для проведения экспериментов. Влияние микрогравитации на клеточные процессы и кристаллизацию белков представляет собой многообещающую область исследований, которая потенциально может привести к значительным успехам в медицине. Однако эти же условия, с другой стороны, порождают практические сложности для исследователей. Поскольку многие живые организмы нуждаются в гравитации Земли для нормального роста, их развитие в космосе может быть затруднено. Кроме того, некоторые микроорганизмы способны к буйному и непредсказуемому росту в условиях микрогравитации, что требует постоянного контроля, чтобы предотвратить возможные риски. В культиваторах микрогравитация вызывает трудности с удалением пены и обеспечением аэрацией, поскольку пузырьки воздуха образуются и перемещаются иным образом, чем на Земле. При проведении экспериментов по выращиванию спирулины ученым удалось создать условия для подачи питательной среды, а также поддерживать заданную температуру и освещенность, но регулирование оттока кислорода оказалось значительно более сложной задачей.
Сложности космических исследований на орбите не ограничиваются необычными условиями труда. Недостаточно разрабатывать космические биотехнологии, необходимо быстро совершенствоваться и устранять препятствия, которые затрудняют применение этих разработок в космосе. Россия обладает значительным опытом в космической отрасли, который ранее стал источником национальной гордости. Тем не менее, для внедрения научных результатов и стимулирования предпринимательской деятельности в этой сфере требуется большая работа. Сокращение отставания между современными научными знаниями и доступными технологиями предполагает создание новых способов поддержки и привлечения инвестиций.
От момента проведения первых экспериментов, подтверждающих возможность создания биотехнологического продукта, до его практического использования на орбите может пройти значительное время. Однако, по мнению специалистов, этот путь необходимо пройти, поскольку если Россия не предпримет соответствующих действий в ближайшие 5–7 лет, она может оказаться в ситуации, подобной той, что постигла Португалию, открывшую Америку, но не сумевшую удержать там лидерство. В указанный период требуется реформировать как внутреннюю систему, так и механизм взаимодействия в рамках международной космической кооперации, чтобы не допустить необратимого отставания в этой динамично развивающейся области.
Информация предоставлена пресс-службой ФИЦ Биотехнологии РАН