| Autorka: dr Agnieszka Sikora |
W ramach misji Axiom-4 na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), w której bierze udział polski astronauta dr inż. Sławosz Uznański-Wiśniewski, będzie realizowanych 13 eksperymentów naukowych opracowanych przez polskie firmy i uczelnie wyższe. Wśród badań, które przeprowadzi polski astronauta, znajdzie się m.in. projekt Yeast TardigradeGene, w który zaangażowani są naukowcy z Uniwersytetu 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: 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 – zdjęcie wykonane transmisyjnym mikroskopem elektronowym | fot. prof. Izabela Poprawa
Zespół badaczy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach | fot. A. Chachulska-Żymełka
Zespół badaczy z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu i Uniwersytetu Szczecińskiego | fot. G. Figura
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 niesporczaków w ekstremalnych warunkach.
Wybór naukowców padł na drożdże Saccharomyces cerevisiae. Drożdże to najprostszy model komórki eukariotycznej, który jest wykorzystywany z 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, ale 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 jest dalej możliwość prawidłowego funkcjonowania komórek. Taki 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, aby sprawdzić, 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, które będą 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 różnego typu bazach, które ludzkość planuje w przyszłości na Księżycu i innych planetach, a także mogą stanowić źródło paliwa.
Zanim do tego dojdzie jest sporo problemów do rozwiązania. Jednym z nich jest na pewno promieniowanie. Drożdże pod tym katem nie były dotąd badane. Badano 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 być może 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, to w takim stanie potrafią przetrwać nawet kilkadziesiąt lat. Niesporczaki także bardzo dobrze sobie radzą z zamrożeniem i po rozmrożeniu potrafią normalnie funkcjonować.
Przygotowanie drożdży | prof. Andonis Karachitos
Przygotowane drożdże | prof. Andonis Karachitos
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.
Drożdże gotowe do misji | prof. Andonis Karachitos
Drożdże przygotowane do wysyłki na ISS | fot. prof. Ewa Szuszkiewicz
Artykuł pt. „Gen kosmicznych piratów” ukaże się w czerwcowym numerze „Gazety Uniwersyteckiej UŚ” nr 9 (329).