Polskie glony poleciały w kosmos i wróciły zmienione. Co tam się stało?
Polskie mikroglony poleciały na ISS jako grzeczne, dobrze znane z laboratorium organizmy. Po kilkunastu dniach wróciły jako komórki o zmienionej budowie, innym działaniu genów i podkręconej fotosyntezie. Naukowcy nie kryją zaskoczenia.
Realizowany w ramach polskiej misji IGNIS na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej eksperyment Space Volcanic Algae, z pozoru brzmi jak kolejna, nic nieznacząca ciekawostka: weźmy glony z ekstremalnego środowiska na Ziemi i sprawdźmy, jak poradzą sobie w przestrzeni kosmicznej. Tak naprawdę jest to jednak przedsmak bardzo poważnych technologii, bez których długie wyprawy na Księżyc czy Marsa mogą się po prostu nie udać.
Jak czytamy na łamach portalu Nauka w Polsce, do eksperymentu wybrano gatunki określane jako ekstremofilne. To organizmy, które w naturalnych warunkach wytrzymują rzeczy, które dla większości życia są zabójcze: skrajne temperatury, wysokie zasolenie, bardzo kwaśne środowisko czy duże stężenia metali ciężkich. Jeśli coś ma przetrwać kosmiczny stres, to właśnie one.
ISS zapewnia zaś wyjątkowe laboratorium. Na orbicie panuje mikrograwitacja, czyli stan, w którym odczuwalne przyspieszenie grawitacyjne jest bardzo małe. Dla organizmów żywych oznacza to, że ich komórki, narządy i całe ciała zachowują się inaczej niż na Ziemi: zmienia się rozkład płynów, sposób działania białek, a nawet to, jak odczytywana jest informacja genetyczna.
Dwa tygodnie, które wywróciły wyniki do góry nogami
Zespół Ewy Borowskiej z firmy Extremo Technologies przygotował zestaw próbek glonów. Część zawierała dodatkową substancję ochronną – coś w rodzaju płaszcza mającego bronić komórek przed wysychaniem i promieniowaniem kosmicznym, czyli strumieniem wysokoenergetycznych cząstek i promieniowania jonizującego.
Pojemniki z glonami trafiły do kapsuły, poleciały na ISS i przez nieco ponad 2 tygodnie poddawane były warunkom panującym na orbicie. Równolegle identyczne kultury hodowano w kontrolowanych warunkach na Ziemi. To klasyczna metoda badań: jeśli dwa zestawy próbek różnią się tylko jednym czynnikiem – tutaj mikrograwitacją i promieniowaniem w kosmosie – można dość precyzyjnie wskazać, co jest skutkiem tego czynnika.
Ważny element układanki stanowił tutaj skonstruowany specjalnie na potrzeby misji sensor tlenu. Urządzenie powstało we współpracy zespołu Extremo i inżynierów z obserwatorium w estońskim Tartu. Czujnik miał wychwycić bardzo niewielkie zmiany stężenia tlenu, dzięki czemu badacze mogli z orbity niemal na żywo śledzić, jak intensywnie glony prowadzą fotosyntezę.
Po zakończeniu eksperymentu próbki wróciły na Ziemię. Od tego momentu zaczął się drugi akt, a mianowicie żmudne porównywanie zawartości kosmicznych fiol i ich ziemskich odpowiedników, od zdjęć mikroskopowych po sekwencjonowanie materiału genetycznego.
Całkowicie inaczej zbudowane komórki
Pierwsze analizy zaskoczyły naukowców skalą zmian. W glonach, które spędziły czas na ISS, zaobserwowano inną budowę błon i ścian komórkowych niż w próbkach kontrolnych. Błona komórkowa to cienka, elastyczna warstwa tłuszczowo-białkowa otaczająca komórkę, działająca jak selektywna bariera: przepuszcza niektóre substancje, inne zatrzymuje. Ściana komórkowa (obecna m.in. u glonów) jest z kolei sztywną osłoną nadającą komórce kształt i chroniącą ją mechanicznie.
W kosmicznych próbkach obie struktury wyraźnie się zmieniły. To znak, że komórki przestawiły się na inny sposób funkcjonowania, prawdopodobnie starając się lepiej bronić przed stresem fizycznym i chemicznym. Co istotne, dodana do części próbek substancja ochronna rzeczywiście zadziałała. Tam, gdzie była obecna, zmiany w błonach i ścianach komórkowych były mniejsze.
Jeszcze ciekawszy obraz wyłonił się z badań genetycznych, które prowadzi zespół prof. Marcina Woźniaka z Collegium Medicum w Bydgoszczy. Analiza ekspresji genów, czyli tego, które fragmenty DNA są aktywnie odczytywane i przekładane na białka, pokazała, że w mikrograwitacji doszło do wyraźnego przestrojenia pracy komórki.
Upraszczając, genom to pełen zestaw instrukcji zapisanych w DNA, ale komórka w danym momencie korzysta tylko z części z nich. To, jakie geny są włączone, a jakie wyciszone, decyduje o zachowaniu organizmu. W glonach z ISS aktywność większości genów była inna niż w próbkach ziemskich.
Szczególnie mocno zmieniła się praca genów związanych z produkcją białek, kwasów nukleinowych oraz tzw. metabolitów wtórnych, czyli związków chemicznych, które nie są niezbędne do przeżycia, ale pozwalają lepiej radzić sobie ze stresem, infekcjami czy promieniowaniem.
Naukowcy podejrzewają, że w kosmosie włączyły się grupy genów, które na Ziemi pozostają zazwyczaj mało aktywne. Teraz trwa wyścig, by ustalić, jakie dokładnie substancje zaczęły wytwarzać glony na orbicie i czy wśród nich są związki potencjalnie użyteczne dla biotechnologii czy medycyny.
Fotosynteza na dopingu mikrograwitacji
Kolejne zaskoczenie dotyczyło samej fotosyntezy. Z danych zebranych przez wspomniany wcześniej sensor tlenu wynika, że glony na ISS pochłaniały więcej dwutlenku węgla i produkowały więcej tlenu niż ich krewniacy w ziemskim laboratorium. W mikrograwitacji ich zielona fabryka pracowała po prostu na wyższych obrotach.
Fotosynteza to seria reakcji biochemicznych zachodzących w wyspecjalizowanych strukturach komórki, w których energia światła zamieniana jest na energię chemiczną zaklętą w wiązaniach związków organicznych. Jeżeli cały ten mechanizm przyspiesza, oznacza to, że rośnie zarówno produkcja tlenu, jak i zapasów energetycznych komórki.
Przeczytaj także:
Dlaczego tak się stało? Jedna z hipotez mówi, że glony potraktowały warunki kosmiczne jako nowy, silny stresor. W odpowiedzi dokopały się do rezerw adaptacyjnych, czyli podkręciły metabolizm, by zwiększyć szanse przetrwania. Promieniowanie kosmiczne i brak typowego pola grawitacyjnego działają jak mocne bodźce, na które komórka reaguje całościową przebudową pracy swoich układów biochemicznych.
Istotne jest to, jak szybko zaszły zmiany. Misja trwała niewiele ponad 2 tygodnie, a pierwsze oznaki adaptacji były widoczne już po około 7 dniach. To bardzo krótka skala czasowa, jeśli mówimy o głębokich zmianach w ekspresji genów i strukturze komórki. Oznacza to, że w dłuższych wyprawach kosmicznych takie mikroorganizmy mogą jeszcze skuteczniej dopasowywać się do otoczenia, a więc stać się bardziej stabilnym elementem systemów podtrzymywania życia.
