У майбутньому, тривалі експедиції NASA на Місяць і Марс вимагатимуть зменшення обсягу постачання, підвищення рівня повторного використання і переробки, а також залучення місцевих ресурсів для виготовлення важливих продуктів для екіпажу під час польотів у космос. Деякі матеріали, такі як вітаміни, мають обмежений термін придатності та найкраще використовуються свіжими. Для вирішення цих задач NASA розробляє технології для біовиробництва цінних продуктів на вимогу.
Важливість правильного харчування
Моряки могли б уникнути цинги, якби NASA існувало в еру великих відкриттів на морях. Ця хвороба виникає через брак вітаміну C, внаслідок чого багато людей гинули, проводячи місяці в морі без свіжих фруктів і овочів. В еру досліджень у глибокий космос астронавти також потребуватимуть способу отримати правильне харчування. Планування нових методів постачання їжі для багаторічних місій на Місяць або Марс може вимагати створення їжі та поживних речовин у космосі. Вчені NASA тестують початкову версію можливого рішення: використовувати мікроорганізми для виробництва життєво важливих поживних речовин, щоб астронавти могли їх отримувати, коли це потрібно. Така система, розроблена для космосу, також може допомогти забезпечити харчування для людей у віддалених районах нашої планети.
Експеримент BioNutrients-1
З експериментом BioNutrients-1 – першим у серії досліджень, запущеним на Міжнародну космічну станцію в квітні 2019 року – астронавти на борту орбітальної лабораторії проводили випробування нової системи на протязі майже шести років.
BioNutrients-1 був розроблений вченими з Центру досліджень NASA імені Еймса в Каліфорнії за такою стратегією: взяти безпечний організм, вже присутній у нашій їжі (у цьому випадку, дріжджі), модифікувати його для виробництва необхідної поживної речовини і створити відповідне обладнання для вирощування дріжджів у космосі. Як міні-фабрики, мікроорганізми будуть займатися виготовленням потрібного продукту. Поживні речовини, які буде виробляти дріжджі в цьому експерименті, називаються бета-каротином та зеаксантином. Це антиоксиданти, які зазвичай зустрічаються у овочах і є критично важливими для збереження здоров’я нашої зору.
Тестування на космічній станції
Хоча астронавти на космічній станції не споживали нічого в рамках експерименту BioNutrients-1, вони провели кілька раундів тестування системи. Для кожного тесту вони додавали стерильну воду до суміші дегідратованих дріжджів та їхнього порошкового харчового джерела, добре перемішували і підтримували пакети в теплі протягом 48 годин. Потім зразки заморожували для подальшого аналізу на Землі. Вчені NASA перевіряли, як працювала система, включаючи, скільки дріжджів зросло в пакетах і скільки поживних речовин виробив експеримент.
Система виробництва поживних речовин на вимогу буде життєвонеобхідною для експлуатації людьми космосу, адже не завжди можливо забезпечити повне харчування з запасів під час багаторічної місії. Крім того, навіть за наявності запасів харчових добавок, багато поживних речовин мають обмежений термін придатності. Деякі речі, такі як вітаміни, краще працюють у свіжій формі, ніж у переробленій таблетці.
Члени екіпажу космічної станції проводили випробування на різних типах дріжджів, періодично, під час експерименту BioNutrients-1. Це дало вченим змогу перевірити, як довго їх спеціально запропоновані дріжджі залишаються придатними до вживання та здатні виробляти свіжі поживні речовини, необхідні людям для підтримки здоров’я в космосі.
Два типи дріжджів
Система BioNutrients-1 тестувала два типи дріжджів з різними «стилями життя» в пакетах для виробництва поживних речовин. Один з них формує спори в рамках свого життєвого циклу. Спори – це спляча форма мікроорганізмів, яка є надзвичайно стійкою та стійкою до радіації. Мікроорганізми повинні підтримувати життєздатність під час тривалого зберігання – потенційно в умовах високої радіації в глибокому космосі – тому спори, ймовірно, є оптимальною формою для зберігання. Дріжджі в цій формі повинні залишатися стабільними щонайменше п’ять років, що забезпечує розумний «термін придатності» для використання під час тривалих місій з людським екіпажем на Місяць або на поверхню Марса.
Інший вид дріжджів не формує спор; вони літали як вегетативні – або метаболічно активні – клітини, які, як очікується, мають коротший термін придатності, ніж спори. Однак, вчені цікавляться цим типом з інших причин. Люди широко споживають ці самі дріжджі у вигляді доступних пробіотичних добавок. Більшої кількості видів дріжджів цього ж «активного» типу доступні вченим для потенційного використання в майбутніх системах виробництва поживних речовин, тому розуміння їхньої роботи може бути важливим для досліджень.
У рамках BioNutrients-1 дослідники також вивчали термін придатності інших типів мікроорганізмів – відмінних від двох типів дріжджів, протестованих у пакетах для виробництва – щоб відстежити, як добре різні організми функціонують протягом запланованих п’яти років у космосі, а також які генетичні особливості дозволяють їм виживати протягом довгого часу. Зразки цих спеціально підготовлених біовиробничих та пробіотичних мікроорганізмів зберігалися на станції та періодично поверталися на Землю для аналізу. Станом на травень 2025 року деякі повернуті зразки все ще демонструють життєздатність навіть після п’яти років.
Експеримент BioNutrients-2
Експеримент BioNutrients-2 був запущений на космічну станцію в листопаді 2022 року. Ця фаза дослідження спиралася на попередні результати BioNutrients-1 та включала кілька нових характеристик. Загальною метою було протестувати систему на замовлення для виробництва певних кількостей ключових поживних речовин за мінімальної кількості обладнання.
Розширення тестових зразків
BioNutrients-2 розширив види мікроорганізмів, що тестуються. Використовували ті ж два штами дріжджів, що і в BioNutrients-1, додавши ще чотири нові типи. Серед них – два мікроорганізми, які виробляють йогурт, один, що виробляє ферментований молочний продукт, відомий як кефір, і ще один тип дріжджів, спеціально підготовлений для виробництва фоллістатину, білка, пов’язаного з підтримкою м’язової маси.
Всі мікроорганізми тестувалися в новому обладнанні BioNutrients-2. Система використовує легкі, гнучкі пакети – форму, що порівняна з існуючими продуктами харчування для екіпажів, – на заміну жорстким контейнерам, які тестувалися для BioNutrients-1. Ця зміна зменшила масу та об’єм системи, що приносить вигоди для тривалого польоту в космос, коли об’єм і маса обмежені.
Експериментальні запуски
Для кожного типу зразка проводилися два експериментальних запуски: перший у січні 2023 року, приблизно через 45-60 днів після запуску, і другий у травні 2023 року, приблизно через шість місяців після запуску. Під час кожного запуску член екіпажу на космічній станції брав чотири пакети певного типу зразка, додавав воду, активно перемішував вміст пакетів і поміщав їх в інкубатор для стимуляції росту. Наприкінці кожного циклу пакетики виймали з інкубатора і заморожували. Пакети пізніше поверталися на Землю ще холодними для аналізу.
Експеримент BioNutrients-3 запланований до запуску на космічну станцію в серпні 2025 року в рамках місії NASA SpaceX CRS-33. Цей експеримент розвиває результати з досліджень BioNutrients-1 та BioNutrients-2 і включає нові функції безпеки харчування.
Цей проект має на меті розробити платформу біовиробництва, що демонструє мікробіологічне виробництво специфічних поживних речовин для тривалих космічних місій. Концепція аналогічна виготовленню звичайних ферментованих продуктів, таких як перетворення молока на йогурт за допомогою бактерій. Однак у цьому випадку акцент робиться на виробництві дуже специфічних кількостей і якостей поживних продуктів, використовуючи значно менше часу і ресурсів, ніж традиційні методи виробництва на основі сільського господарства.
Діяльність BioNutrients-3
BioNutrients-3 використовує пакети для виробництва, подібні до BioNutrients-2, але більшого розміру, щоб помістити збільшений обсяг зразків, необхідних для тестування безпеки харчування. У цьому дослідженні використовуються ті ж комерційні стартери йогурту та кефіру, що і в BioNutrients-2, а також додаються штами дріжджів, які були біоінженерні для виробництва кількох поживних речовин в одному пакеті.
Крім того, для BioNutrients-3, ріст субстрату – інгредієнтів, необхідних для підтримки мікроорганізмів під час росту, включаючи індикатор зміни кольору на рівень кислотності у зразках йогурту та кефіру – повністю їстівний. Хоча члени екіпажу не їстимуть зразки BioNutrients-3, зрештою такі продукти можуть споживатися екіпажем у майбутніх дослідженнях.
Цей індикатор зміни кольору кислотності природно міститься в червоній капусті. Індикатор дозволяє візуально відстежувати прогрес бродіння. Коли культури йогурту та кефіру бродять, рівень кислоти зростає, а колір у суміші змінюється з фіолетового на рожевий.
Як і в попередніх експериментах BioNutrients, члени станції додаватимуть воду до кожного пакету виробництва і активно перемішуватимуть вміст. Екіпаж візуально порівняє зразки йогурту та кефіру з кольоровою шкалою перед тим, як помістити пакети в інкубатор. В залежності від типу зразка час інкубації коливається від шести до 48 годин з проміжними візуальними перевірками та/або часом агітації.
Після того, як екіпаж вилучить пакети з інкубатора, вони виконуватимуть додаткові кроки над деякими зразками, включаючи пастеризацію для знищення мікроорганізмів за допомогою харчового підігрівача на станції та демонстрацію можливості використання сенсора NASA, званого «електронним носом». Цей сенсор імітує надчутливий ніс і може використовуватися для виявлення патогенів. Крім того, члени екіпажу протестують техніку вирощування йогурту, використовуючи трохи йогурту з готового пакета для закваски нової партії, схожої на підтримку закваски для хліба.
Після завершення операцій всі зразки будуть заморожені та повернені на Землю для аналізу.
Технологія майбутнього
Ця технологія, яку NASA розробляє для майбутніх астронавтів, також може бути корисна для людей, що живуть у віддалених районах Землі вже сьогодні. Результати дослідження нададуть вченим NASA багато інформації про те, як виробляти інші молекули, які будуть критично важливими для здоров’я людини в космосі, включаючи ліки для лікування різних захворювань. Обіцяють нові дослідження, що намагаються використовувати мікроби в різноманітних космічних застосуваннях. Розробляючи мікроорганізми, які здатні витримувати тривалі періоди бездіяльності та успішно відновлюватися, BioNutrients робить кроки до реалізації цього майбутнього.
