Используя растения, астронавты смогут создавать свои собственные лекарства

Когда астронавты будут исследовать Луну, Марс и другие места вдали от Земли в будущем, им потребуется быть как можно более самодостаточными. Это абсолютная необходимость, учитывая, что миссии, работающие за пределами низкой околоземной орбиты (LEO), не могут быть обеспечены запасами в течение нескольких часов. Это, по сути, означает, что исследования глубокого космоса и аванпосты должны производить достаточно воздуха, воды, пищи, топлива и других необходимых ресурсов, чтобы удовлетворить свои потребности и поддерживать миссию.

Обычно это относится к категории использования ресурсов на месте (ISRU), в которой местные ресурсы собираются и используются для производства строительных материалов и необходимых вещей. В противном случае астронавты должны брать с собой все необходимое, включая растения, которые удаляют углекислый газ, производят кислород и даже обеспечивают источник растительного белка. Согласно новым исследованиям, проводимым в Университете Калифорнии в Сан-Диего (UCSD), привоз растений в путешествие может иметь дополнительное преимущество в производстве лекарств.

Исследование было проведено инженерами из кафедры химической и наноинженерии UCSD Aiiso Yufeng Li Family. К ним присоединились исследователи из Центра наноиммунной инженерии UCSD, Коллаборации Шу и К.Чиена и Питера Фаррелла, Института открытия и проектирования материалов, Центра рака Мурса, Центра инженерии в области рака при Институте инженерии в медицине и других. Результаты междисциплинарной команды были опубликованы 5 июня в npj Science of Plants.

В своей статье команда описала простой метод выращивания и многократного сбора фармацевтических веществ из растений в микрогравитации, не разрушая растения и не создавая большого количества отходов. На протяжении более десяти лет Стейнметц и ее коллеги изучают вирус растений, известный как вирус мозаики бобов (CPMV). Этот вирус обычно известен тем, что инфицирует бобовые, но команда Стейнметц сосредоточилась на его способности стимулировать иммунную систему на атаку раковых клеток.

В доклинических исследованиях на мышах и клинических исследованиях на собаках с раком CPMV показал свою эффективность в борьбе с опухолями. Чтобы продемонстрировать свой метод, команда Стейнметц использовала растения Nicotiana benthamiana и черноглазый горох для производства CPMV. Следующий шаг — процесс экстракции, который обычно включает сбор листьев и их измельчение. Патрик Опденстейн, постдокторант в лаборатории Стейнметц и первый автор статьи, объяснил:

Выращивание соединения в этих растениях просто. Они могут производить много биомассы за короткое время, а больше биомассы означает больше продукта. Главная трудность сейчас заключается в том, как извлечь продукт из растений. В итоге получается что-то, похожее на смузи, и вы можете представить, что извлечь ваш продукт из этого смузи сложно. Оборудование, которое мы используем для этого, занимает всю нашу лабораторию. Вы не сможете уместить все это на космическом корабле.

Чтобы упростить процесс, команда обратилась к подходу фармацевтического производства, известному как секреция продукта. Эта техника основана на химических продуктах бактериальных и млекопитающих клеток, но также может быть использована и с растениями. В этом случае химические продукты выделяются в компартмент внутри листьев, называемый апопластом, сетью взаимосвязанных пространств за пределами плазматической мембраны.

Исследователи обнаружили, что могут извлекать CPMV из апопласта, сохраняя листья целыми, сначала погружая их в буферный раствор. Затем их помещают в запечатанный сосуд под вакуумом, что приводит к заполнению апопласта жидкостью. Как только листья насыщаются, их помещают в флаконы и центрифугируют на низкой скорости, чтобы извлечь жидкость, богатую CPMV. Затем она очищается через фильтр, который отделяет более крупные частицы CPMB от меньших и непригодных кусочков растительного материала.

Этот метод экстракции предлагает много преимуществ по сравнению с текущими системами фармацевтического производства, которые требуют больших резервуаров и стерильных условий. И, как уже отмечалось, растения уже культивируются в космосе для обеспечения питательными веществами и рециркуляции воздуха и воды. Метод также легко масштабируется, как продемонстрировала команда, собрав и очистив частицы CPMV из более чем 50 растений менее чем за два часа. Поскольку листья остаются целыми, растения могут продолжать расти и потенциально могут быть собраны снова и снова.

Чтобы смоделировать микрогравитационную среду космоса, команда сотрудничала с профессором Мазиаром Газинеджадом и его лабораторными техниками из кафедры механической и аэрокосмической инженерии UCSD. Газинеджад и его коллеги создали специально построенную машину случайного позиционирования, которая непрерывно вращала растения, чтобы эффективно противодействовать гравитации. Эти машины обычно используются для изучения того, как материалы ведут себя в микрогравитации, но Стейнметц и Газинеджад увидели возможность адаптировать этот подход для исследований растений.

Чтобы завершить симуляцию, растения подвергались колебаниям температуры и окислительному стрессу, имитирующему воздействие космической радиации. Это привело к незначительному увеличению производства CPMV в некоторых случаях, что, по мнению исследователей, связано с его природой как вируса растений. "Растения становятся более восприимчивыми к болезням, когда находятся под стрессом, что обычно является недостатком", — сказал Опденстейн. "Но поскольку наш продукт происходит от вируса растений, мы можем использовать этот стрессовый ответ для увеличения урожайности."

Этот метод решает одну из самых насущных потребностей для здоровья и безопасности астронавтов во время длительных миссий: доступность потенциально спасительных лекарств. Проведение длительных периодов в космосе, где астронавты подвергаются микрогравитации и повышенной радиации, может серьезно сказаться на человеческом организме. Более того, миссии на Международной космической станции (МКС) показали, что многие лекарства разлагаются быстрее в космосе, и более половины из них истекают сроком годности в течение трех лет.

Для миссий на Марс время, необходимое для одного транзита (6-9 месяцев), означает, что многие спасительные медикаменты, которые они перевозят, станут неэффективными до их возвращения домой. Время транзита между Землей и Марсом также делает миссии по пополнению запасов совершенно непрактичными. Метод команды использует тот факт, что растения регулярно генерируют полезные соединения, которые могут быть использованы как лекарства. Это эффективно делает их потенциальными фабриками по производству лекарств, которые требуют очень мало ресурсов и производят мало отходов — еще одно преимущество при путешествии далеко от дома в запечатанном космическом корабле.

"С помощью растений вы можете выращивать сложные терапевтические соединения, используя свет, воду и почву", — сказала Николь Стейнметц, заведующая кафедрой химической и наноинженерии UCSD. В то же время команда продолжит изучать, как условия в космосе влияют на процессы растений (например, поглощение воды и питательных веществ) в надежде, что их метод будет протестирован на реальных космических миссиях в ближайшем будущем.

Они также будут работать с Лабораторией ракетного двигателестроения UCSD, чтобы проверить, как семена растений и генетические материалы, используемые в их процессе, подвержены стрессу при запуске в космос. Кроме того, они надеются, что их метод приведет к наземным приложениям, которые могут обеспечить низкозатратное производство фармацевтических препаратов в районах с ограниченными ресурсами на Земле. Для бедных стран и сообществ, а также тех, кто страдает от последствий изменения климата, возможность производить фармацевтические препараты на месте с использованием растений может спасти бесчисленное количество жизней!