NASA, i samarbete med andra ledande rymdorganisationer, siktar på att skicka sina första mänskliga uppdrag till Mars i början av 2030-talet, medan företag som SpaceX kan göra det ännu tidigare. Astronauter på Mars kommer att behöva syre, vatten, mat, och andra förbrukningsvaror. Dessa kommer att behöva hämtas från Mars, eftersom att importera dem från jorden skulle vara opraktiskt på lång sikt. I Gränser i mikrobiologi , forskare visar för första gången att Anabaena cyanobakterier kan odlas med endast lokala gaser, vatten, och andra näringsämnen och vid lågt tryck. Detta gör det mycket lättare att utveckla hållbara biologiska livsuppehållande system.

"Här visar vi att cyanobakterier kan använda gaser som finns tillgängliga i Mars atmosfär, vid lågt totaltryck, som sin källa till kol och kväve. Under dessa omständigheter, cyanobakterier behöll sin förmåga att växa i vatten som bara innehöll Mars-liknande damm och kunde fortfarande användas för att mata andra mikrober. Detta kan bidra till att göra långsiktiga uppdrag till Mars hållbara, " säger huvudförfattaren Dr. Cyprien Verseux, en astrobiolog som leder Laboratory of Applied Space Microbiology vid Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) vid universitetet i Bremen, Tyskland.

Lågtrycksatmosfär

Cyanobakterier har länge varit måltavlor som kandidater för att driva biologiskt livsuppehållande på rymduppdrag, eftersom alla arter producerar syre genom fotosyntes medan vissa kan fixera atmosfäriskt kväve till näringsämnen. En svårighet är att de inte kan växa direkt i Mars atmosfär, där det totala trycket är mindre än 1 % av jordens — 6 till 11 hPa, för lågt för närvaron av flytande vatten - medan partialtrycket för kvävgas - 0,2 till 0,3 hPa - är för lågt för deras ämnesomsättning. Men att återskapa en jordliknande atmosfär skulle bli dyrt:gaser skulle behöva importeras, medan kultursystemet skulle behöva vara robust – därför, tung att frakta – för att motstå tryckskillnaderna:"Tänk på en tryckkokare, " säger Verseux. Så forskarna letade efter en medelväg:en atmosfär nära Mars som gör att cyanobakterierna kan växa bra.

För att hitta lämpliga atmosfäriska förhållanden, Verseux et al. utvecklat en bioreaktor som heter Atmos (för "Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems"), där cyanobakterier kan odlas i konstgjorda atmosfärer vid lågt tryck. All insats måste komma från den röda planeten själv:förutom kväve och koldioxid, gaser som finns i överflöd i Mars atmosfär, och vatten som kan utvinnas från is, näringsämnen ska komma från "regolit", dammet som täcker jordliknande planeter och månar. Regolit från mars har visat sig vara rik på näringsämnen som fosfor, svavel, och kalcium.

Anabaena:mångsidiga cyanobakterier som odlas på Mars-liknande damm

Atmos har nio 1 L-kärl gjorda av glas och stål, var och en är steril, uppvärmd, tryckkontrollerad, och digitalt övervakad, medan kulturerna inuti omrörs kontinuerligt. Författarna valde en stam av kvävefixerande cyanobakterier som kallas Anabaena sp. PCC 7938, eftersom preliminära tester visade att den skulle vara särskilt bra på att använda Mars resurser och hjälpa till att odla andra organismer. Närbesläktade arter har visat sig vara ätbara, lämplig för genteknik, och kan bilda specialiserade vilande celler för att överleva svåra förhållanden.

Verseux och hans kollegor odlade först Anabaena i 10 dagar under en blandning av 96 % kväve och 4 % koldioxid vid ett tryck på 100 hPa – tio gånger lägre än på jorden. Cyanobakterierna växte såväl som under omgivande luft. Sedan testade de kombinationen av den modifierade atmosfären med regolit. Eftersom ingen regolit någonsin har hämtats från Mars, de använde ett substrat utvecklat av University of Central Florida (kallad "Mars Global Simulant") istället för att skapa ett tillväxtmedium. Som kontroller, Anabaena odlades i standardmedium, antingen vid omgivande luft eller under samma konstgjorda lågtrycksatmosfär.

Cyanobakterierna växte bra under alla förhållanden, inklusive i regolit under den kväve- och koldioxidrika blandningen vid lågt tryck. Som förväntat, de växte snabbare på standardmedium optimerat för cyanobakterier än på Mars Global Simulant, under endera atmosfären. Men detta är fortfarande en stor framgång:medan standardmedium skulle behöva importeras från jorden, regolit är allestädes närvarande på Mars. "Vi vill använda som näringsresurser tillgängliga på Mars, och bara de, säger Verseux.

Torkad Anabaena-biomassa maldes, suspenderad i sterilt vatten, filtrerad, och framgångsrikt använt som ett substrat för odling av E. coli-bakterier, bevisar att socker, aminosyror, och andra näringsämnen kan extraheras från dem för att mata andra bakterier, som är mindre tåliga men beprövade verktyg för bioteknik. Till exempel, E. coli skulle lättare kunna konstrueras än Anabaena för att producera vissa livsmedelsprodukter och mediciner på Mars som Anabaena inte kan.

Forskarna drar slutsatsen att kvävefixering, syreproducerande cyanobakterier kan effektivt odlas på Mars vid lågt tryck under kontrollerade förhållanden, med uteslutande lokala råvaror.

Ytterligare förbättringar på gång

Dessa resultat är ett viktigt framsteg. Men författarna varnar för att ytterligare studier är nödvändiga:"Vi vill gå från detta proof-of-concept till ett system som kan användas på Mars effektivt, " säger Verseux. De föreslår att man finjusterar kombinationen av tryck, koldioxid, och kväve optimalt för tillväxt, medan man testar andra släkten av cyanobakterier, kanske genetiskt anpassade för rymduppdrag. Ett odlingssystem för Mars behöver också utformas:

"Vår bioreaktor, Atmos, är inte det odlingssystem vi skulle använda på Mars:det är tänkt att testa, på jorden, de villkor vi skulle ge där. Men våra resultat kommer att hjälpa till att vägleda utformningen av ett Mars-odlingssystem. Till exempel, det lägre trycket gör att vi kan utveckla en lättare struktur som är lättare att frakta, eftersom den inte behöver tåla stora skillnader mellan insidan och utsidan, avslutar Verseux.