Tecnologia Científica

Biotecnologia adequada para o planeta vermelho: novo método para o cultivo de cianobactérias em condições semelhantes às de Marte
Os cientistas mostram pela primeira vez que as cianobactérias Anabaena podem ser cultivadas apenas com gases locais, água e outros nutrientes e a baixa pressão.
Por Fronteiras - 16/02/2021


A: Biorreator Atmos ("Testador de atmosfera para sistemas orgânicos ligados a Marte"). B: Um único vaso dentro do Atmos. C: Esquema do projeto. Crédito: C. Verseux / ZARM

A NASA, em colaboração com outras agências espaciais importantes, pretende enviar suas primeiras missões humanas a Marte no início de 2030, enquanto empresas como a SpaceX podem fazê-lo ainda antes. Os astronautas em Marte precisarão de oxigênio, água, comida e outros consumíveis. Eles precisarão ser provenientes de Marte, porque importá-los da Terra seria impraticável a longo prazo. Em Frontiers in Microbiology , os cientistas mostram pela primeira vez que as cianobactérias Anabaena podem ser cultivadas apenas com gases locais, água e outros nutrientes e a baixa pressão. Isso torna muito mais fácil desenvolver sistemas de suporte biológico sustentável.

"Aqui, mostramos que as cianobactérias podem usar gases disponíveis na atmosfera marciana , a uma pressão total baixa , como sua fonte de carbono e nitrogênio. Nessas condições, as cianobactérias mantiveram sua capacidade de crescer em água contendo apenas poeira semelhante à de Marte e ainda poderiam ser usado para alimentar outros micróbios. Isso pode ajudar a tornar sustentáveis ​​as missões de longo prazo a Marte ", diz o autor principal, Dr. Cyprien Verseux, astrobiólogo que chefia o Laboratório de Microbiologia Espacial Aplicada no Centro de Tecnologia Espacial Aplicada e Microgravidade (ZARM) da Universidade de Bremen, Alemanha.

Atmosfera de baixa pressão

Há muito que as cianobactérias são candidatas a impulsionar o suporte biológico à vida em missões espaciais, já que todas as espécies produzem oxigênio por meio da fotossíntese, enquanto algumas podem fixar o nitrogênio atmosférico em nutrientes. Uma dificuldade é que eles não podem crescer diretamente na atmosfera marciana, onde a pressão total é inferior a 1% da da Terra - 6 a 11 hPa, muito baixa para a presença de água líquida - enquanto a pressão parcial do nitrogênio gasoso - 0,2 a 0,3 hPa - é muito baixo para seu metabolismo. Mas recriar uma atmosfera parecida com a da Terra seria caro: gases precisariam ser importados, enquanto o sistema de cultura precisaria ser robusto - portanto, pesado para o frete - para resistir às diferenças de pressão: "Pense em uma panela de pressão", diz Verseux . Então, os pesquisadores procuraram um meio-termo: uma atmosfera próxima a Marte '

"Nosso biorreator, Atmos, não é o sistema de cultivo que usaríamos em Marte: ele serve para testar, na Terra, as condições que forneceríamos lá. Mas nossos resultados ajudarão a orientar o projeto de um sistema de cultivo marciano. Por exemplo, a pressão mais baixa significa que podemos desenvolver uma estrutura mais leve e com mais facilidade de transporte, pois não terá que suportar grandes diferenças entre o interior e o exterior ”


Para encontrar as condições atmosféricas adequadas, Verseux et al. desenvolveu um biorreator chamado Atmos (para "Testador de atmosfera para sistemas orgânicos ligados a Marte"), no qual as cianobactérias podem ser cultivadas em atmosferas artificiais a baixa pressão . Qualquer entrada deve vir do próprio Planeta Vermelho: além do nitrogênio e dióxido de carbono, gases abundantes na atmosfera marciana e água que poderia ser extraída do gelo, os nutrientes deveriam vir do "regolito", a poeira que cobre planetas e luas semelhantes à Terra . O regolito marciano demonstrou ser rico em nutrientes como fósforo, enxofre e cálcio.
 
Anabaena: cianobactérias versáteis cultivadas em poeira semelhante a Marte

O Atmos tem nove recipientes de 1 L feitos de vidro e aço, cada um dos quais é esterilizado, aquecido, com pressão controlada e monitorado digitalmente, enquanto as culturas dentro são continuamente agitadas. Os autores escolheram uma cepa de cianobactéria fixadora de nitrogênio chamada Anabaena sp. PCC 7938, porque os testes preliminares mostraram que seria particularmente bom no uso de recursos marcianos e ajudando a cultivar outros organismos. Espécies intimamente relacionadas têm se mostrado comestíveis, adequadas para engenharia genética e capazes de formar células dormentes especializadas para sobreviver a condições adversas.

Verseux e seus colegas cultivaram Anabaena pela primeira vez por 10 dias sob uma mistura de 96% de nitrogênio e 4% de dióxido de carbono a uma pressão de 100 hPa - dez vezes menor do que na Terra. As cianobactérias cresceram tão bem quanto sob o ar ambiente. Em seguida, eles testaram a combinação da atmosfera modificada com o regolito. Como nenhum regolito jamais foi trazido de Marte, eles usaram um substrato desenvolvido pela University of Central Florida (chamado "Mars Global Simulant") em vez de criar um meio de crescimento. Como controle, Anabaena foi cultivado em meio padrão, tanto ao ar ambiente quanto sob a mesma atmosfera artificial de baixa pressão.

As cianobactérias cresceram bem em todas as condições, inclusive em regolito sob a mistura rica em nitrogênio e dióxido de carbono a baixa pressão. Como esperado, eles cresceram mais rápido no meio padrão otimizado para cianobactérias do que no Simulante Global da Mars, em qualquer atmosfera. Mas isso ainda é um grande sucesso: enquanto o meio padrão precisaria ser importado da Terra, o regolito é onipresente em Marte. "Queremos usar como nutrientes os recursos disponíveis em Marte, e apenas esses", diz Verseux.

A biomassa seca de Anabaena foi moída, suspensa em água estéril, filtrada e usada com sucesso como substrato para o cultivo de bactérias E. coli, provando que açúcares, aminoácidos e outros nutrientes podem ser extraídos deles para alimentar outras bactérias, que são menos ferramentas resistentes, mas testadas e comprovadas para biotecnologia. Por exemplo, a E. coli poderia ser projetada mais facilmente do que a Anabaena para produzir alguns produtos alimentícios e medicamentos em Marte que a Anabaena não pode.

Os pesquisadores concluíram que as cianobactérias fixadoras de nitrogênio e produtoras de oxigênio podem ser cultivadas com eficiência em Marte, a baixa pressão e em condições controladas, com ingredientes exclusivamente locais.

Refinamentos adicionais no pipeline

Esses resultados são um avanço importante. Mas os autores alertam que mais estudos são necessários: "Queremos ir desta prova de conceito para um sistema que possa ser usado em Marte de forma eficiente", diz Verseux. Eles sugerem o ajuste fino da combinação de pressão, dióxido de carbono e nitrogênio ideal para o crescimento, enquanto testam outros gêneros de cianobactérias , talvez geneticamente adaptados para missões espaciais. Um sistema de cultivo para Marte também precisa ser projetado:

"Nosso biorreator, Atmos, não é o sistema de cultivo que usaríamos em Marte: ele serve para testar, na Terra, as condições que forneceríamos lá. Mas nossos resultados ajudarão a orientar o projeto de um sistema de cultivo marciano. Por exemplo, a pressão mais baixa significa que podemos desenvolver uma estrutura mais leve e com mais facilidade de transporte, pois não terá que suportar grandes diferenças entre o interior e o exterior ”, conclui Verseux.

 

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