Portal informacyjny
Nauki przyrodnicze
Kosmiczny eksperyment z udziałem UMK
Niemal wszystkie geny glonów zabranych w kosmos przez dr. Sławosza Uznańskiego-Wiśniewskiego zareagowały na warunki stresowe: transport na orbitę oraz pobyt na ISS w warunkach mikrograwitacji i promieniowania kosmicznego. Teraz naukowcy ustalają, dlaczego pewne zmiany w genomie częściej obserwowano w próbkach ze stacji niż ziemskich.
Pomysłodawcą i koordynatorem badań glonów z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) jest spółka Extremo Technologies z Wrocławia, która wybrała do współpracy naukowców z Polski i ze świata. W tym gronie znalazł się prof. dr hab. Marcin Woźniak z Katedry Medycyny Sądowej na Wydziale Lekarskim Collegium Medicum Uniwersytetu Mikołaja Kopernika.
Prof. Woźniak jest genetykiem sądowym. Ta dziedzina medycyny coraz częściej zajmuje się analizami genomowymi, dzięki którym – w oparciu o badanie genomu człowieka – można określić jego cechy fenotypowe, takie jak np. kolor włosów czy oczu. Bydgoski naukowiec genomiką, czyli kompleksowymi badaniami genomów, zajmuje się od połowy lat 90. ubiegłego wieku, dlatego współpracą z nim zainteresowało się szefostwo spółki Extremo Technologies przy okazji misji kosmicznej Ignis.
fot. Andrzej Romański
W ramach eksperymentu wysłano w kosmos ekstremofilne glony z terenów wulkanicznych. Umieszczono je w specjalnie zaprojektowanym minilaboratorium – kostce aluminiowej (ang. Cube), która została podłączona przez polskiego astronautę do ICE Cubes Facility w module Columbus na ISS. Projekt podzielony był na kilka części, a jedną z nich było sprawdzenie adaptacji glonów do warunków kosmicznych pod względem zmian genetycznych. Po zakończeniu misji na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej – powtórzono procedurę na Ziemi (tzw. eksperyment referencyjny), aby porównać rezultaty hodowli prowadzonych w warunkach ziemskich i kosmicznych. – Co ważne, oba doświadczenia były prowadzone z użyciem tego samego urządzenia do hodowli, zatem warunki były podobne, z tym że na ISS mieliśmy do czynienia z mikrograwitacją i promieniowaniem kosmicznym – tłumaczy prof. Woźniak. – Po powrocie dr. Sławosza Uznańskiego-Wiśniewskiego na Ziemię poddaliśmy badaniom obie próbki i przeprowadziliśmy na nich identyczne analizy, aby móc porównać wyniki.
Trzy obszary badawcze
Naukowcy prowadzili badania w trzech kierunkach. Po pierwsze w czasie rzeczywistym mierzyli produkcję tlenu za pomocą innowacyjnego sensora, w który wyposażono minilaboratorium Cube, sknstruowanego specjalnie na potrzeby tego projektu. – Ze wstępnych wyników wiemy, że produkcja tlenu na orbicie, w stanie nieważkości, była zwiększona w stosunku do tego, co obserwowaliśmy na Ziemi – potwierdził zespół Extremo Technologies. – Obecnie próbujemy się dowiedzieć, czy i jakie zmiany metaboliczne miały na to wpływ.
Drugi aspekt badań dotyczy zmian w budowie ściany komórkowej glonów. Obserwacje pod mikroskopami elektronowymi prowadzi Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN im. Marcelego Nenckiego. – W budowie ścian komórkowych i błon zaszły widoczne zmiany, których przyczyny będziemy dalej badać – informuje prof. Woźniak.
fot. Andrzej Romański
Do Collegium Medicum Uniwersytetu Mikołaja Kopernika trafiły próbki przeznaczone do badań genetycznych. Prof. Woźniak wyjaśnia, że analizowane glony to organizmy jednokomórkowe mające bardzo uproszczoną w stosunku do innych eukariontów budowę genomu. Naukowcy badali dwa różne gatunki, z czego jeden nie posiada ściany komórkowej, co jest unikatem w świecie glonów i roślin. – U organizmów eukariotycznych, np. u człowieka, informacja genetyczna jest bardzo rozproszona – tylko niewielki odsetek genomu stanowią geny, czyli fragmenty kodujące białka, a reszta to fragmenty niekodujące i regulacyjne – tłumaczy bydgoski naukowiec. – Genom glonów, które poddaliśmy eksperymentowi, jest bardzo skondensowany, składa się praktycznie z samych sekwencji kodujących, co bardzo przypomina genomy bakteryjne. Nasze glony mają około 5 tys. genów. To niewiele. Dla porównania Escherichia coli, bakteria powszechnie wykorzystywana w laboratoriach, ma ok. 6 tys., a człowiek około 20 tys. genów (ale stanowią one jedynie około 2 proc. całego ludzkiego genomu).
Reakcja na warunki kosmiczne
Ważnym aspektem badań na poziomie genomowym są zmiany w ekspresji genów, czyli analizy, które geny się włączyły lub wyłączyły, które produkowały więcej lub mniej RNA. – Przede wszystkim zaobserwowaliśmy, że niemal wszystkie geny w jakiś sposób zareagowały na zmiany warunków – mówi prof. Woźniak. – Z 5 tys. genów około 4 tys. wykazało różnice ekspresji pomiędzy orbitą a warunkami ziemskimi, czyli możemy powiedzieć, że mieliśmy do czynienia z reakcją masową. Trwają szczegółowe analizy, które geny i w jakim zakresie zareagowały. Najsilniejsza reakcję zaobserwowaliśmy ze strony genów związanych z syntezą kwasów nukleinowych DNA i RNA oraz syntezą białek. Komórki zaczęły dostosowywać swój metabolizm do nowych warunków. I to nie tak, że zareagowała jedna hodowla, działo się to w kilku niezależnych próbkach z ISS, w sposób bardzo powtarzalny. Kwestią do wyjaśnienia jest określenie mechanizmów molekularnych, które stały za tymi zmianami, co właśnie robimy.
Badania aktualnie prowadzone przez naukowców są dopiero początkiem serii, którą zamierzają kontynuować we współpracy z innymi ośrodkami planującymi w kolejnych misjach również wysłać w kosmos glony ekstremofilne.
fot. Andrzej Romański
Jedną z kwestii, które na pewno należy wyjaśnić, jest wpływ, jaki wywarły na komórki zmiany warunków w trakcie powrotu glonów na Ziemię. Z powodów technicznych nie było możliwości ich zamrożenia na orbicie, tzn. zatrzymania w stanie metabolicznym, w jakim były w kosmosie. Po wylądowaniu kapsuły glony zostały natychmiast przewiezione na ląd i zamrożone. – Staraliśmy się to okno oddziaływania grawitacji maksymalnie skrócić, ale jednak nie udało się go całkowicie wyeliminować – tłumaczy prof. Woźniak. – Pomimo to w glonach zachowała się pamięć komórkowa z orbity i zmiany, które zaszły w nich na ISS.
Trudny pacjent
Należy pamiętać, że glony ekstremofilne, które poleciały w kosmos, nie są organizmami dobrze poznanymi, szczególnie pod względem warunków kosmicznych.
Dodatkowym wyzwaniem dla eksperymentu okazało się uzyskanie wysokiej jakości DNA i RNA. W przypadku standardowych organizmów, które bada się powszechnie, takich jak wspomniana wyżej E. coli, naukowcy dysponują dopracowanymi i wielokrotnie przetestowanymi protokołami, które umożliwiają pozyskanie materiału genetycznego w sposób przewidywalny i powtarzalny. Tutaj również mieliśmy do czynienia z eksperymentem. – Musieliśmy przeprowadzić serię badań i optymalizacji, aby uzyskać odpowiedni materiał – wyjaśnia prof. Woźniak. – Nie mieliśmy pewności, czy metody opracowane na Ziemi sprawdzą się w przypadku glonów powracających z kosmosu. Ostatecznie udało się to w odniesieniu do jednego z dwóch badanych gatunków.
fot. Andrzej Romański
Eksperyment jest realizowany z myślą o przyszłości – badane mikroorganizmy mogłyby służyć do ulepszenia systemów podtrzymywania życia o obiegu zamkniętym, produkcji substancji odżywczych na statkach i w bazach kosmicznych albo uczestniczyć w przetwarzaniu odpadów. Dzięki badaniom prowadzonym m.in. przez Extremo Technologies wiadomo, że glony ekstremofilne mają szereg bardzo ciekawych właściwości, z których potencjalnie już dziś możemy korzystać na Ziemi. Taki też był cel eksperymentu, aby to, co sprawdzone w najbardziej ekstremalnych warunkach, usprawniło biotechnologię stosowaną w warunkach ziemskich. Na Ziemi naturalnym środowiskiem badanych glonów są wyziewy wulkaniczne, skały w pobliżu wulkanów, zbiorniki wodne z rozpuszczonymi metalami ciężkimi czy gorące gejzery. Wytrzymują wysokie stężenia toksycznych substancji, siarkowodoru i dwutlenku węgla. Dzięki takim cechom, umożliwiającym im przetrwanie w skrajnych warunkach, są potencjalnie wartościowym materiałem do stosowania w biotechnologii ziemskiej i kosmicznej. – Chciałbym jeszcze zaznaczyć, że eksperyment był równie ważny z punktu widzenia medycyny oraz farmakologii – mówi prof. Woźniak. – W części próbek zastosowano substancję, która wpływa na ochronę komórek glonów przed wysychaniem oraz promieniowaniem UV i jonizującym. Teraz badamy, jak ta substancja wpłynęła na ochronę genomu na orbicie i na Ziemi.
Aby można było zacząć wykorzystywać glony na skalę przemysłową, trzeba bardzo dobrze poznać ich fizjologię i reakcje na różne warunki stresowe, na które te proste organizmy są podatne. Celem badań zespołu Extremo Technologies jest wykorzystanie naturalnych adaptacji organizmów ekstremofilnych do zwiększenia przydatności w długoterminowych misjach kosmicznych. Organizm szybko się adaptujący i elastyczny genetycznie będzie mógł łatwiej się dostosować do zmian środowiska przez swoje mechanizmy obronne i metabolizm, a co za tym idzie powielać te cechy w kolejnych pokoleniach, co już częściowo udowodniono dzięki eksperymentowi na orbicie okołoziemskiej.
Ignis – to pierwsza polska misja technologiczno-naukowa na Międzynarodową Stację Kosmiczną. W trakcie 19-dniowego pobytu w kosmosie na przełomie czerwca i lipca 2025 r. astronauta dr Sławosz Uznański-Wiśniewski przeprowadził 13 eksperymentów naukowych oraz zrealizował bogaty program edukacyjny dla dzieci i młodzieży. Polski astronauta prowadził badania w warunkach mikrograwitacji, dotyczące m.in. zdrowia astronautów, mikrobiomu, nowych materiałów oraz technologii, w tym wykorzystania sztucznej inteligencji.
Przydatne linki:
