IGNIS: Zanim polecą na Marsa, zbadają, czy gen niesporczaka może dać cudowne moce drożdżom

Nad eksperymentem pracują naukowcy z Uniwersytetu Szczecińskiego (Ewa Szuszkiewicz i Franco Ferrari), Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu (Hanna Kmita, Nina Antos-Krzemińska, Andonis Karachitos i Łukasz Kaczmarek) i Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach (Izabela Poprawa).

Grzegorz Jasiński: Pani profesor, proszę mi powiedzieć, na czym państwa eksperyment polega? Od razu powiedziała mi pani jedną najważniejszą rzecz. Żadnych niesporczaków na orbitę państwo nie zabieracie. To robili inni...

Prof. Ewa Szuszkiewicz: Dokładnie. Nasz eksperyment "Yeast Tardigrade Gene" jest jednym z eksperymentów przygotowanym w ramach misji IGNIS. Będzie to misja na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która daje duże możliwości zbadania zachowania się organizmów w warunkach przestrzeni kosmicznej, głównie mikrograwitacji, ponieważ Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest fantastycznym laboratorium właśnie do badania wpływu mikrograwitacji na między innymi organizmy żywe. Muszę również zdradzić, że nasz eksperyment ma pełną nazwę - bo "Yeast Tardigrade Gene to jest po prostu funkcjonalna, krótka nazwa. Natomiast pełny tytuł naszego eksperymentu to jest: "Zanim polecimy na Marsa. Czy niesporczaki mogą pomóc w ochronie innych organizmów na przestrzeni kosmicznej?"

Dlaczego niesporczaki? Właśnie, dlaczego one w ogóle tu się pojawiają?

Dlaczego niesporczaki? To właśnie jest związane z przestrzenią kosmiczną i warunkami, jakie tam panują. Dlatego, że jeżeli podróżujemy tutaj na Ziemi z jednego miejsca na drugie, to zawsze przygotowujemy się do odpowiednich warunków klimatycznych, które spotkamy w nowym miejscu. Natomiast tutaj wyzwania są dużo, dużo bardziej trudne do wykonania, a mianowicie w przestrzeni kosmicznej musimy zmierzyć się z mikrograwitacją, z promieniowaniem jonizującym, które właściwie omiata przestrzeń kosmiczną w sposób ciągły. Nasze organizmy na Ziemi, większość z nich, źle znosi mikrograwitację czy ograniczenie mikrograwitacji, jaka panuje na Marsie czy Księżycu. Nie mówiąc już o promieniowanie jonizującym, które jest takim czynnikiem chyba najtrudniejszym do pokonania. I tutaj właśnie wśród organizmów, które żyją na Ziemi, znajdują się takie, które zupełnie nieźle znoszą warunki panujące w przestrzeni kosmicznej. I to są między innymi niesporczaki. Ale trzeba powiedzieć, że to nie jest jedyny organizm, który dobrze sobie radzi z warunkami przestrzeni kosmicznej. Chciałabym tutaj dodać, że są organizmy, które obecnie coraz częściej konkurują z niesporczakami, a mianowicie wrotki. Ale powróćmy do niesporczaków, bo to one przecież są jednym z bohaterów naszego eksperymentu. A zatem niesporczaki bardzo dobrze radzą sobie właśnie z warunkami przestrzeni kosmicznej.

I teraz, jak rozumiem, niesporczaki mają się podzielić tą swoją zdolnością z zupełnie innymi organizmami i to takimi, które mogą nam się przydać?

Dokładnie tak. I to, co wiemy już o niesporczakach tutaj na Ziemi, wiemy, że niesporczaki mają bardzo charakterystyczne białko, które nazywamy alternatywną oksydazą. I to ona bierze udział w procesie oddychania komórkowego. A zatem to jest podstawowa funkcja właściwie komórki. I okazuje się, że właśnie to białko pozwala niesporczakom na tę ich niezniszczalność, na dobre znoszenie bardzo trudnych, ekstremalnych warunków. A zatem pomysł jest właśnie taki, żeby to białko wprowadzić do genomu drożdży i w ten sposób to białko będzie mogło również chronić drożdże przed niekorzystnymi warunkami w mikrograwitacji. I właśnie trzeba tutaj wspomnieć - co jest bardzo ważne w tym kontekście - że mikro grawitacja wywołuje zaburzenie równowagi oksydacyjno-redukcyjnej, które wynikają ze stresu. Ta zmiana nazywa się stresem oksydacyjnym i pod wpływem stresu mitochondria produkują nadmierną ilość reaktywnych form tlenu, co niekorzystnie wpływa na przeżywalność drożdży. I właśnie to białko, które będzie wprowadzone z genomu niesporczaków do genomu drożdży, będzie miało tutaj funkcję podobną jak w organizmach niesporczaków, czyli tę funkcję ochronną. Na Ziemi my już wiemy, że że alternatywna oksydaza niesporczaków obniża stres oksydacyjny drożdży. Ale czy tak samo będzie w warunkach mikrograwitacji? To będziemy sprawdzać na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

A czemu akurat drożdże? Bo z jednej strony, to one odczuwają skutki takiego stresu. To po pierwsze. Po drugie, bo jak rozumiem, dość dobrze się je hoduje i szybko. Ale rozumiem, że tam jest jeszcze coś więcej, one się po prostu w warunkach podróży kosmicznej mogą nam przydać?

Tak. Drożdże są rewelacyjnym organizmem zarówno do tego typu badań poznawczych, jak i zastosowań bardzo konkretnych i bardzo potrzebnych. Ze stresem oksydacyjnym spotykamy się wszędzie. I organizmy są po prostu na ten stres narażone. A zatem drożdże po pierwsze są takim bardzo dobrym wyborem na wykonanie tego eksperymentu, ponieważ one są bardzo dobrym modelowym organizmem, który nam może powiedzieć nie tylko o tym, jak zachowają się drożdże w warunkach mikrograwitacji, czy ogólniej w przestrzeni kosmicznej, ale także inne organizmy, np. człowiek. Drożdże dzielą bowiem 30 proc. genomu z człowiekiem. A zatem zamiast robić eksperymenty na nas, na ludziach, możemy robić eksperymenty na drożdżach i wnioski, które wysnujemy z tych badań możemy niejako ekstrapolować na podobne mechanizmy, które będą się działy w innych organizmach, na przykład w organizmie ludzkim. I to jest bardzo ważny aspekt. To jest jeden z naszych motywujących nasz eksperyment, aspektów. Ale tutaj pan wspomniał o bardzo ważnej sprawie związanej z zastosowaniami drożdży. My przygotowujemy się na eksplorację Układu Słonecznego. Oczywiście na samym początku tej najbliższej części, czyli Księżyca. A tak właściwie to przecież marzymy o tym, żeby postawić nogę na Marsie. I żeby tego dokonać, to musimy oprócz oczywiście ochrony samych organizmów, musimy również pomyśleć o tym, żeby dostarczyć na długotrwałą podróż kosmiczną pożywienia astronautom czy podróżującym. I również paliwo, które jest niezbędne, czyli energia, która jest niezbędna w tym celu. A zatem mamy nadzieję, że ten nasz eksperyment będzie miał duży wkład w eksplorację kosmosu i do podróży, o których marzymy już od dawna. Podróży na Marsa.

Pani profesor, proszę mi powiedzieć, jak ten eksperyment będzie konkretnie wyglądał. To znaczy, co poleci na Międzynarodową Stację Kosmiczną? W jakiej to postaci poleci i co nasz astronauta Sławosz Uznański-Wiśniewski będzie z tym robił?

Nasz eksperyment będzie zawierał 40 próbek szczepów drożdży. Będziemy mieli 5 różnych szczepów drożdży, które zostaną umieszczone w bardzo małym, lekkim, ale bardzo wytrzymałym pojemniku. I jak to zwykle bywa z lotami kosmicznymi, zależy nam bardzo na ograniczeniu zarówno wagi tego, co wysyłamy, jak i objętości. Tak, że właściwie nie ma tam więcej miejsca niż na nasze fiolki z drożdżami i z oczywiście pożywką, która jest im niezbędna do życia, do rozmnażania się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Jest 5 szczepów. Będziemy mieć 40 próbek. Zatem każdy szczep będzie rozmieszczony w ośmiu fiolkach, czy buteleczkach. Dwa z tych szczepów zawierają właśnie gen niesporczaka, który będzie kodował białko, o którym mówiłam, właśnie  alternatywną oksydazę. A trzy pozostałe szczepy są tak skonstruowane, że będą mogły nam powiedzieć jaka jest różnica między szczepami, które zawierają białko niesporczaka, a tymi, które go nie zawierają, czyli będą to próbki kontrolne. To próbki przygotowane w bardzo specjalny sposób, żeby już z samego eksperymentu na stacji kosmicznej można było wykonać porównanie jak działa gen niespoczaka w drożdżach. I tutaj chciałabym powiedzieć, że wszystkie szczepy, które lecą na Międzynarodową Stację Kosmiczną, zostały przygotowane przez Andonisa Karachitosa z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu. Czyli to są takie autorskie szczepy naszego kolegi. To pudełeczko jest skonstruowane w ten sposób, żeby szczepy, żeby buteleczki nie poruszały się, żeby były dobrze zabezpieczone przed wszystkimi wstrząsami, które niewątpliwie będą podczas startu i podczas lądowania w kapsule, która umieści nasz ładunek na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Ile wcześniej one muszą się pojawić na Florydzie? Jak to będzie? Bo to próbka biologiczna, która żyje. W związku z czym wiemy, że niektóre próbki, te elektroniczne, na przykład już trafiły na orbitę. A państwa próbka kiedy musi być dokładnie gotowa?

Dokładnie, to jest bardzo dobrze przygotowany harmonogram przygotowania tych próbek. My te próbki musimy przygotować w ciągu 7 dni. To jest optymalny czas. Następnie 14 dni mamy na przetransportowanie próbek w warunkach chłodniczych na Florydę. Próbki muszą się znaleźć tam na trzy dni przed startem i dopiero wtedy nasze drożdże startują.

A co się z nimi będzie działo na orbicie? Czy ten eksperyment wymaga jakiejś kontroli ze strony astronauty na orbicie, czy po prostu państwo przygotowujecie próbki na Ziemi, a one lecą, potem wracają i badacie, co się z nimi stało?

Ze względu na to, że czas przygotowania eksperymentów w ramach misji IGNIS był bardzo krótki, zatem rekomendacje były takie, żeby jak najmniej używać czasu astronauty. A zatem to jest kolejna bardzo istotna sprawa dla przygotowania tych próbek. Wszystko zostało przemyślane w ten sposób, żeby ingerencja astronauty nie była konieczna. A zatem ilość pożywienia dla drożdży, sposób ich umieszczenia w buteleczkach. To wszystko jest tak zaplanowane i skonstruowane, żeby te drożdże mogły po prostu wzrastać na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i potem one będą przywiezione na Ziemię i dopiero w laboratorium będziemy dokonywać analizy tego, co się stało na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. To, co jest również bardzo istotne, to jest to, że w pudełeczku razem z drożdżami mamy również rejestrator temperatury, tak że temperatura będzie rejestrowana w sposób ciągły od momentu startu z laboratorium. Żebyśmy mieli pewność, że one rzeczywiście w odpowiednich warunkach były transportowane. Następnie będzie ta faza hodowli na ISS i potem powrót znowu w warunkach chłodniczych do laboratorium. Tak, że temperatura będzie monitorowana. Wspomniałam na samym początku o tym, że oprócz mikrograwitacji oczywiście na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej jest również promieniowanie jonizujące, którego dawki są trochę wyższe niż na Ziemi. I ze względu na to, że na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w tym module, w którym są astronauci, jest standardowo prowadzony monitoring dawek promieniowania, a zatem otrzymamy również dane dotyczące tego, jaki był poziom promieniowania na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej podczas tego lotu. I to będziemy mogli również zinterpretować tutaj na Ziemi, ponieważ po powrocie naszych próbek na Ziemię wykonamy serię eksperymentów tutaj na Ziemi, żeby przede wszystkim odtworzyć jak najdokładniej warunki, które panowały podczas transportu i na stacji kosmicznej w naszej hodowli. Postaramy się zrobić podobny eksperyment tutaj na Ziemi. Ponadto będziemy się starać również odtworzyć przynajmniej częściowo promieniowanie jonizujące, któremu poddane były nasze drożdże. Tak, że będziemy mieli porównanie tego, co się wydarzyło w mikrograwitacji na stacji kosmicznej i tego co się wydarzyło w ziemskiej grawitacji tutaj na Ziemi.

Proszę mi powiedzieć, jak musi być też przygotowany plan powrotu tych próbek. Po ilu dniach od lądowania kapsuły z astronautami i tych próbek państwo dostaniecie je do rąk własnych?

Pewnie tego tak dokładnie określić się nie da, ale zakładamy bardzo podobny scenariusz, jak to było z dostarczeniem próbek na Florydę. Ale tutaj trzeba podkreślić fakt, że my mamy bardzo dobrze określone ograniczenia czasowe. To znaczy powrót naszych drożdży nie może trwać dłużej niż 60 dni, a zatem margines mamy duży. Ale tak właściwie to my mamy nadzieję, że te próbki powrócą do nas po dwóch, trzech tygodniach od lądowania.

Mamy nadzieję, że wszystko pójdzie znakomicie, wspaniale. Jakich najlepszych do wyobrażenia rezultatów państwo się spodziewacie? Czego oczekujecie od tych swoich drożdży, z tymi genami niesporczaków?

Spodziewamy się tego, że potwierdzimy to, co wiemy już z eksperymentów na Ziemi, czyli że białko niesporczaków obniży stres oksydacyjny drożdży. No my jesteśmy właściwie prawie pewni, że tak będzie, ale tego się spodziewamy i myślę, że to byłoby duże zaskoczenie, jeżeli tak by nie było. I to jest to jest ta ta część, która dotyczy właśnie celów poznawczych naszego eksperymentu. Ale oczywiście tutaj trzeba powiedzieć o tym bardzo głośno, że nasz eksperyment jest tylko pierwszym krokiem. Dlatego zawarliśmy to właściwie w tytule naszego eksperymentu: "Zanim polecimy na Marsa". To jest pierwszy i konieczny krok, żeby zrealizować właściwie cały nasz pomysł. Bo nasz pomysł jest właśnie dalekosiężny. A mianowicie musimy najpierw sprawdzić to, co wiemy z badań na Ziemi. Musimy to sprawdzić w warunkach mikrograwitacji na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ale wspomniałam o tym promieniowaniu jonizującym, to jest bardzo ważne. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest już poza atmosferą ziemską, ale jest częściowo chroniona przez pole magnetyczne Ziemi. A zatem to nie są jeszcze warunki tak zwanej otwartej przestrzeni kosmicznej. A zatem następny krok, który planujemy, to są eksperymenty w otwartej przestrzeni kosmicznej, czyli poza magnetosfery ziemską, a taką możliwość daje nam już misja na Księżyc. Na przykład planowana i właściwie już realizowana stacja kosmiczna Gateway, która ma być umieszczona na orbicie księżycowej. To będzie wspaniałe obserwatorium, wspaniałe laboratorium do tego, żeby można było badać promieniowanie jonizujące i wpływ promieniowania jonizującego na drożdże. A potem to już jest jeden krok z Księżyca na Marsa. Tam oczywiście będzie również nie tyle mikrograwitacja, jeżeli chcemy budować habitaty czy na Księżycu, czy na Marsie, no to przecież tam mamy zredukowaną grawitację. Tak, że do tego też organizmy muszą się przystosować. A zatem to jest właśnie ten pierwszy krok. I myślimy, że ten pierwszy krok uda nam się przejść spokojnie. I potem mamy naprawdę bardzo duże plany na przyszłość. I jeszcze jedna bardzo ważna rzecz, która bardzo często w naszych umysłach się pojawia, czy ta eksploracja kosmosu może dać coś nam tutaj na Ziemi? Bo my tutaj na Ziemi też mamy mnóstwo problemów. Mamy problemy z brakiem żywności, mamy problemy z brakiem energii w skali całego globu. Więc jeżeli będziemy potrafili zmieniać na przykład drożdże, które mogą mieć wspaniałe zastosowanie w przemyśle spożywczym, w przemyśle farmaceutycznym, czy do produkcji biopaliw, to jeżeli ten proces będzie bardziej wydajny, dzięki właśnie tym drobnym zmianom, które dokonujemy w genomie, to będziemy mogli również może nie rozwiązać, ale dorzucić swoją cegiełkę do rozwiązania problemów tutaj na Ziemi. I dlatego uważamy po prostu, że zarówno te plany poznawcze, jak i zastosowania naszego eksperymentu są bardzo duże. I tutaj chciałabym jeszcze podziękować całemu zespołowi interdyscyplinarnemu, ponieważ musimy mieć biologów, którzy bardzo dobrze rozumieją, co się dzieje na poziomie komórek, jakie mechanizmy tam działają, no i potrzeba również nas fizyków, astronomów, astrobiologów, astrofizyków, którzy będą mogli te eksperymenty biologiczne przenieść w przestrzeń kosmiczną, znając jakie są tam warunki i wiedząc jak należy zabezpieczyć czy zorganizować, skonstruować payload, żeby wszystko poszło tak, jak sobie tego życzymy.

Trzymamy kciuki. Pani profesor, serdecznie dziękuję.