Как создать микробы, которые позволят нам жить на Марсе

Область, известная как синтетическая биология, стала одной из самых ожидаемых в науке. Её результаты варьируются от золотого риса, который был генетически модифицирован для получения витамина А, до достижений, полученных в рамках проекта «Геном человека», в ходе которого был успешно картирован весь геном человека. Известные специалисты в области биотехнологий называют её следующей волной инноваций.

Синтетическая биология — это использование генной инженерии и других достижений биотехнологий для создания новых организмов или манипулирования существующими для достижения желаемых результатов. Это то, что британский биолог Джейми А. Дэвис называет «созданием новых живых систем по замыслу».

Что, возможно, менее очевидно, так это то, что это может быть даже полезно при освоении космоса. В конечном итоге мы могли бы использовать микробов для детоксикации Марса, чтобы однажды люди могли жить на Красной планете.

Синтетическая биология уже произвела революцию во многих областях биологии. Благодаря таким технологиям, как получившие Нобелевскую премию геномные «ножницы» Crispr Cas9, редактирование генов стало дешёвым, быстрым и точным, как и секвенирование генов.

Всё это означает, что геномику можно проводить в полевых условиях и даже в космосе благодаря новым технологиям, таким как MinION от Oxford Nanopore Technologies, которая позволила астронавту НАСА Кейт Рубинс секвенировать геномы микроорганизмов на Международной космической станции с помощью портативного устройства.

Прорывы в криоэлектронной микроскопии (позволяющие нам изучать крупные молекулы в растворе) и, совсем недавно, получившая Нобелевскую премию программа сворачивания белков «AlphaFold» от Google DeepMind также произвели революцию в структурной биологии.

Теперь мы можем быстро и с высочайшей точностью определять структуру и последовательность организмов — и при этом с небольшими затратами. В конечном счёте это также даёт возможность вносить точные изменения в последовательности и структуры.

По мнению Марсианского общества, НАСА и Королевского общества, это имеет важное значение для освоения космоса. В частности, достижения в синтетической биологии открывают новые возможности для исследования и колонизации Марса.

Итак, как мы можем модифицировать микроорганизмы, чтобы сделать Марс пригодным для жизни? Вот несколько вариантов:

Поглощение радиации

Микробы могли бы помочь нам справиться с вредным воздействием радиации на Марсе. Мы знаем, что бактерии и другие одноклеточные организмы, известные как археи, живут в самых неблагоприятных местах на Земле. Например, Thermus Aquaticus выживает при экстремально высоких температурах, а психрофилы живут в условиях экстремального холода.

Thermus aquaticus (лат.) — грамотрицательная палочковидная экстремально термофильная бактерия рода Thermus. Обитает в горячих источниках Йеллоустонского национального парка и других подобных регионах, гейзерах при температурах выше 55 °C.
--------------------

Например, геном тихоходок является богатым источником информации, объясняющей, как эти микроорганизмы могут выживать в космическом вакууме. Экстремофилы, способные переваривать радиацию и токсины, уже используются для очистки всего, от разливов нефти до радиоактивных отходов.

Геном тихоходок является относительно большим для их размеров и положения на древе эволюции — он содержит в себе около 215 миллионов нуклеотидов. Это примерно в два раза больше, чем у нематод, геном которых по размеру считается типичным для мелких беспозвоночных. На фото некоторые виды тихоходок.
---------------

Это означает, что мы могли бы создать микробы, устойчивые к низким температурам и высокому уровню радиации. Такие синтетические микроорганизмы можно было бы использовать на Марсе различными способами, чтобы защитить нас и нашу среду обитания от этих экстремальных условий или выращивать устойчивые к ним культуры.

Например, теперь хорошо известно, что марсианская почва содержит перхлораты, которые токсичны для человека. У НАСА есть несколько идей о том, как с этим можно справиться, включая синтетическую биологию.

Ион перхлората.
Перхлора́ты (сложение пер- и хлорат) — группа химических соединений, соли или сложные эфиры хлорной кислоты (HClO4{\displaystyle {\ce {HClO4}}}). Соли металлов, неметаллов, гидразина, гидроксиламина и аммония относятся к неорганическим производным хлорной кислоты, а эфиры и соли органических соединений — к органическим производным хлорной кислоты.
-----------------------

Фиксирование атмосферных газов

Давным-давно на древней Земле процветали цианобактерии. Они заполнили экологическую нишу, которая изменила атмосферу Земли, обогатив её кислородом. Мы во многом обязаны своим существованием этому плодотворному цветению.

Цианобакте́рии, или сине-зелёные во́доросли, или циане́и (лат. Cyanobacteria, от греч. κυανός — сине-зелёный) — отдел крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.
------------------------

Могут ли они сделать то же самое для нас на Марсе? Атмосфера на Красной планете очень разреженная и в основном состоит из углекислого газа. Цианобактериям потребуется много помощи, которую мы могли бы оказать с помощью синтетической биологии. Теоретически можно создать микроорганизмы, способные выживать в марсианской среде и, в свою очередь, вырабатывать кислород и азот.

Нагревание поверхности

Представления о терраформировании Красной планеты (изменении её таким образом, чтобы она стала пригодной для жизни людей) часто предполагают размещение космических зеркал на орбите для нагревания марсианских шапок на полюсах и таяния льдов. Это приведёт к неконтролируемому парниковому эффекту, который превратит планету в нечто более похожее на Землю.

Северная шапка Марса состоящая из водяного льда покрытая углекислым льдом.
------------------

Но синтетическая биология могла бы (теоретически) пропустить этот этап, на который, по самым оптимистичным оценкам, потребуется не менее 200 лет. Около пяти лет назад учёные предложили использовать планетарную инженерию для преобразования микробов с помощью синтетической биологии.

Учитывая, что микробы помогли сделать Землю пригодной для жизни, мы могли бы использовать синтетическую биологию, чтобы создать микробов, которые ускорили бы аналогичный процесс на Марсе. Поиск организмов, которые сокращают выбросы парниковых газов, устраняют токсичность и выделяют полезные вещества, мог бы помочь снизить уровень парниковых газов на Земле.

Зарождение новой жизни на Марсе

Мы пока не уверены, что на Марсе нет жизни. Вопрос о том, насколько этично создавать новую жизнь, а затем распространять её на другие тела Солнечной системы в своих интересах, является глубоким и сложным. Но эти разговоры должны состояться.

Тем не менее, похоже, что синтетическая биология может стать нашим лучшим технологическим шансом на превращение в межпланетный вид — и многие космические и биотехнологические агентства относятся к этому очень серьёзно.

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6071031/#B83-genes-09-00348

Согласно недавнему исследованию, проведённому в Университете Маккуори в Сиднее, Австралия: «С точки зрения целостного подхода, оптимальным подходом к синтетической биологии для получения максимальной пользы от растительной пищи на Марсе было бы разработать мульти-биофортифицированные культуры с улучшенными питательными свойствами и характеристиками (например, увеличенным сроком хранения и пониженной аллергенностью)».

Среди новых технологий использование синтетической биологии может улучшить наше будущее больше, чем любой другой фактор — на Земле и за её пределами.