Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Projekt Yeast TardigradeGene narodził się w 2020 roku, gdy dr hab. Izabela Poprawa, prof. UŚ z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego, została zaproszona przez prof. Ewę Szuszkiewicz z Uniwersytetu Szczecińskiego do grantu MAESTRO. Projekt dotyczył wysłania różnego typu organizmów, w tym niesporczaków, w lot kosmiczny. Niestety, wtedy nie udało się zdobyć finansowania. Kilkanaście miesięcy temu temat powrócił wraz z ogłoszeniem konkursu na realizację eksperymentów naukowych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).

Projekt jest realizowany przez konsorcjum trzech uczelni, którymi są: Uniwersytet Szczeciński – prof. dr hab. Ewa Szuszkiewicz (lider) i dr hab. Franco Ferrari, prof. USz; Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu – prof. dr hab. Hanna Kmita; dr hab. Łukasz Kaczmarek, prof. UAM; dr hab. Nina Antos-Krzemińska, prof. UAM; dr hab. Andonis Karachitos; dr Anna Kicińska i Uniwersytet Śląski w Katowicach – dr hab. Izabela Poprawa, prof. UŚ.

– Do mojego zespołu zaprosiłam mikrobiolożkę, dr hab. Katarzynę Kasperkiewicz. Włączyłam również młodych naukowców. To moi magistranci: Anna Krakowska i Alper Arslan oraz doktorant Filip Wieczorkiewicz.

Drożdże z genem niesporczaka

– Badając niesporczaki, które mają bardzo duże zdolności przetrwania w skrajnie niekorzystnych warunkach, zaczęliśmy się zastanawiać, czy różnego rodzaju białka, które pomagają im w przetrwaniu, mogą pomóc również innym organizmom – wspomina biolożka z UŚ. – Stąd wpadliśmy na pomysł, żeby stworzyć organizm zmodyfikowany genetycznie, który będzie zawierał gen niesporczaka kodujący jedno z białek odpowiedzialnych za przetrwanie tych zwierząt w ekstremalnych warunkach. Wybór naukowców padł na drożdże Saccharomyces cerevisiae. Drożdże to najprostszy model komórki eukariotycznej, który jest wykorzystywany w badaniach, również nad różnymi zagadnieniami związanymi z człowiekiem. Jeśli chodzi o białka niesporczaków, to badacze zdecydowali się na alternatywną oksydazę (AOX – z ang. alternative oxidase). To enzym obecny w mitochondriach u roślin, a także u niektórych bezkręgowców, w tym nicieni, pierścienic i niesporczaków. Stwarza alternatywną możliwość przenoszenia elektronów z ubichinonu na tlen. W przeciwieństwie do typowej oksydazy cytochromowej, która znajduje się mitochondriach i odpowiada za łańcuch oddechowy, oksydaza alternatywna jest niezależna od inhibitorów jak np. cyjanek. Niewielkie ilości cyjanku u człowieka powodują zablokowanie oddychania komórkowego. W przypadku alternatywnej oksydazy nie zablokują go, stąd nadal istnieje możliwość prawidłowego funkcjonowania komórek. Tego rodzaju gen został wprowadzony do drożdży. Takie drożdże wraz z grupą kontrolną, czyli z drożdżami, które tego genu nie będą miały, zostaną wysłane na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Zostanie sprawdzone, jak nowy szczep drożdży będzie sobie radził w warunkach mikrograwitacji, a także z promieniowaniem.

Pełna nazwa projektu brzmi: „Zanim polecimy na Marsa: Czy niesporczaki potrafią pomóc innym organizmom w przetrwaniu w przestrzeni kosmicznej”. Tworząc drożdże bardziej odporne niż zwykłe drożdże na warunki w przestrzeni kosmicznej, naukowcy chcą stworzyć szczep, który w przyszłości może być wykorzystywany jako np. biofabryka pożywienia przy długich misjach kosmicznych czy w różnego typu bazach, które ludzkość planuje w przyszłości założyć na Księżycu i innych planetach; drożdże tego rodzaju mogą także stanowić źródło paliwa.

Zanim do tego dojdzie, należy rozwiązać sporo problemów. Na pewno jednym z nich jest promieniowanie. Drożdże nie były dotąd badane pod tym kątem. Analizowano jednak niesporczaki i wiemy, że w stanie anhydrobiozy – czyli w stanie wysuszonym – narażenie na promieniowanie nie powoduje zmian. Niesporczaki wybudzają się i żyją. To właśnie alternatywna oksydaza jest jednym z białek odpowiedzialnych za dobre wchodzenie niesporczaków w stan anhydrobiozy. Naukowcy liczą na to, że okaże się, iż również u drożdży będzie ona dla komórek ochroną przed promieniowaniem.

Niesporczaki to kosmiczni piraci. Potrafią przetrwać bardzo wysokie i bardzo niskie temperatury. Dopóki nie natkną się na wodę i znajdują się w postaci tzw. cyst baryłek, czyli w postaci anhydrobiotycznej, dopóty w takim stanie potrafią przetrwać nawet kilkadziesiąt lat. Niesporczaki także bardzo dobrze sobie radzą z zamrożeniem i po rozmrożeniu potrafią normalnie funkcjonować.

Droga na orbitę

Zanim doszło do podpisania kontraktu między zespołem projektu Yeast TardigradeGene a Europejską Agencją Kosmiczną, trzeba było zmierzyć się z wieloma problemami. Podpisanie projektu poprzedził kilkumiesięczny proces, podczas którego ESA we współpracy z Ministerstwem Rozwoju i Technologii oraz Polską Agencją Kosmiczną (POLSA) dokonała oceny wykonalności oraz bezpieczeństwa zgłoszonego eksperymentu.

– Trzeba pamiętać, że bezpieczeństwo astronautów jest najważniejsze – wyjaśnia badaczka. – Przeprowadzimy eksperyment w laboratorium, które jest zamknięte, nie możemy z niego wyjść, ani otworzyć okna, żeby przewietrzyć. Na Ziemi w razie nieprzewidzianej sytuacji możemy liczyć na pomoc, na orbicie laborant jest zdany sam na siebie. Dlatego eksperyment musi być tak przygotowany, żeby nie stwarzał żadnego zagrożenia dla osób przebywających na stacji.

W kosmosie nawet proste rzeczy stają się wyzwaniem. Sprzęt sprawdzony na Ziemi często nie nadaje się na ISS – np. plastikowe probówki mogą wydzielać toksyczne substancje w razie zapłonu. Trzeba więc było znaleźć odpowiednie zamienniki z dozwolonych materiałów. Ograniczeniem była też waga ładunku, w której trzeba było zmieścić cały zestaw: probówki, drożdże i pożywkę. Nawet pudełko do transportu trzeba było zaprojektować i wydrukować w 3D, by spełniało wszystkie wymagania dotyczące materiału, masy i bezpieczeństwa.

Poza wyzwaniami technicznymi naukowcy musieli zmierzyć się z kwestiami prawnymi związanymi z wysyłką organizmów zmodyfikowanych genetycznie do Stanów Zjednoczonych. Paradoksalnie problem nie dotyczył samych organizmów, lecz dokumentacji dotyczącej pożywki, w której znajdował się pepton. Choć substancja ta jest importowana z USA, jej ponowny wwóz wymagał osobnego zezwolenia.

Gotowi do startu

Na ISS zostanie przewiezione pudełko zawierające 40 fiolek, w których znajdzie się pożywka i zaszczepione drożdże. Wpierw jednak należało wszystko odpowiednio spakować i wysłać do Stanów Zjednoczonych na Przylądek Canaveral. Drożdże muszą być transportowane w niskiej temperaturze (ok. 4°C), by nie namnażały się przedwcześnie i nie zużyły pożywki jeszcze przed rozpoczęciem eksperymentu. Na orbicie to właśnie dr inż. Sławosz Uznański-Wiśniewski będzie odpowiedzialny za uruchomienie eksperymentu: przeniesienie fiolek z lodówki, monitorowanie warunków (temperatury, promieniowania, czasu w mikrograwitacji), a następnie bezpieczny powrót próbek na Ziemię. Następnie cały zestaw powróci na Ziemię i do laboratorium, gdzie naukowcy z projektu Yeast TardigradeGene zajmą się analizą tego, co tak naprawdę wróciło.

– Przede wszystkim mamy nadzieję, że drożdże przetrwają – mówi dr hab. Izabela Poprawa, prof. UŚ. – Po ich powrocie przekonamy się, jak sobie poradziły. Będziemy sprawdzali ich żywotność, czyli czy będą się namnażały tak samo jak grupa kontrolna, a może lepiej. Sprawdzimy również działanie mitochondriów. To organelle komórkowe, które w przypadku działania stresu najczęściej jako pierwsze zaczynają słabiej funkcjonować. Chcemy sprawdzić, czy warunki panujące na ISS spowodowały jakieś zmiany w ultrastrukturze tych komórek, czyli czy mitochondria zostały uszkodzone. Jeśli nastąpiły uszkodzenia, to czy komórki radzą sobie z ich zniwelowaniem i włączają jakieś procesy, które pozwalają na zregenerowanie się bądź na usunięcie uszkodzonych organelli i rozwój prawidłowych. Czy włączają proces autofagii, który powoduje strawienie uszkodzonych organelli, żeby nie doprowadzić do zniszczenia komórki. Ewentualnie: czy może włącza się proces śmierci komórkowej. To też musimy brać pod uwagę – wyjaśnia biolożka.

Projekt Yeast TardigradeGene to nie tylko eksperyment biologiczny, ale również sprawdzian dla wytrwałości i kreatywności naukowców. Projekt pokazuje, że nawet najmniejsze detale – od składu pożywki dla drożdży po kształt opakowania – mają znaczenie w warunkach kosmicznych. A sukces tego typu misji otwiera drzwi do kolejnych, coraz ambitniejszych badań poza Ziemią.

Agnieszka Sikora

Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 9 (329) czerwiec 2025]