Czy żywe materiały przetrwają w mikrograwitacji?
Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej zbadają, jak żywe materiały i układy biologiczne funkcjonują w kosmosie. Dzięki stworzeniu stanowiska do symulacji mikrograwitacji sprawdzą przydatność mikroalg czy bakterii w systemach podtrzymywania życia i budowie pozaziemskich habitatów. W prace będą zaangażowane badaczki z trzech wydziałów PWr: Inżynierii Środowiska, Chemicznego oraz Medycznego, a także naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku i Politechniki w Turynie. Inżynieria środowiska ma naturalne zastosowanie w badaniach związanych z tematyką kosmiczną. Niemal każdy jej obszar, czyli oczyszczanie wody i powietrza, gospodarka odpadami czy obieg składników odżywczych, znajduje swoje odzwierciedlenie w kosmicznych systemach podtrzymywania życia, które muszą zamykać te same obiegi w skali mikro i bez dostępu do zasobów Ziemi – wyjaśnia dr inż. Anna Jurga z Katedry Biologii Środowiskowej i Ochrony Atmosfery Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej. Punktem wyjścia do badań jest jej praca doktorska, w której zajmowała się zamkniętym obiegiem wody i składników odżywczych w systemach kosmicznych. Zaowocowało to udziałem wrocławskiej uczelni w projekcie LUWEX, dotyczącym technologii pozyskiwania i uzdatniania wody z pyłu księżycowego (regolitu). Naturalnym krokiem było połączenie sił z naukowcami z Wydziału Chemicznego, gdzie prowadzone są m.in. badania nad mikroalgami, biomateriałami i drukiem 3D/4D, oraz z badaczami z Wydziału Medycznego, zajmującymi się obrazowaniem biologicznym. Dodatkowym impulsem była rozmowa z zespołem z Uniwersytetu w Innsbrucku, który pracuje nad architekturą kosmiczną i wykorzystaniem biomateriałów, w tym grzybni i bakteryjnej celulozy, w projektowaniu struktur dla środowisk pozaziemskich. Pojawiło się więc pytanie, czy te same układy biologiczne, badane dotychczas w warunkach ziemskich, zachowają swoją funkcjonalność w warunkach mikrograwitacji, a odpowiedź na nie wymagała stworzenia własnego stanowiska badawczego – tłumaczy dr inż. Anna Jurga. Sztuczna grawitacja Księżyca i Marsa w laboratorium Jego sercem będzie urządzenie Random Positioning Machine (RPM), czyli trójosiowy klinostat symulujący mikrograwitację poprzez losową zmianę orientacji próbki względem wektora grawitacji. Obsługuje ono tryby w zakresie od ok. 10 -3 g do 0,9 g, co obejmuje warunki odpowiadające grawitacji Księżyca oraz Marsa; ma także zintegrowane interfejsy zasilania i komunikacji oraz może pracować w inkubatorach z kontrolą temperatury i wilgotności. Stanowisko uzupełni inkubator z wytrząsaniem do przygotowania i prowadzenia hodowli mikroorganizmów zarówno przed eksperymentami w RPM, jak i w warunkach referencyjnych 1 g. Zostaną też zakupione materiały eksploatacyjne – sondy pomiarowe do monitorowania parametrów fizykochemicznych, barwniki fluorescencyjne, szczepy biologiczne, pożywki oraz drobny sprzęt laboratoryjny. Stanowisko będzie wykorzystywane do badania, jak symulowana mikrograwitacja wpływa na mikroalgi, rzęsę wodną, bakterie produkujące celulozę i grzyby jako potencjalne elementy rozwiązań ważnych dla inżynierii środowiska i systemów podtrzymywania życia, takich jak oczyszczanie wody i powietrza, produkcja tlenu, wychwyt CO₂, obieg składników odżywczych oraz wykorzystanie biomasy. Wybór tych czterech układów biologicznych wynika z tego, że każdy z nich wnosi inną, komplementarną funkcję istotną dla systemów bioregeneracyjnych i biofabrykacji materiałów. Mikroalgi oraz rzęsa wodna to organizmy fotosyntetyzujące, które produkują tlen, wychwytują CO₂ oraz pobierają azot i fosfor, przyczyniając się do oczyszczania wody, a przy tym wytwarzają biomasę o wysokiej wartości odżywczej – wyjaśnia badaczka. – Celuloza bakteryjna może pełnić funkcję strukturalną, tworząc matrycę dla materiałów typu Engineered Living Materials (ELM), natomiast grzybnia umożliwia tworzenie funkcjonalnych kompozytów materiałowych, a grzyby uczestniczą w degradacji zanieczyszczeń – dodaje. To właśnie na styku tych organizmów rodzi się największa wartość projektu, czyli materiały ELM – żywe struktury łączące komponent biologiczny z funkcjonalną strukturą materiałową. Mikroalgi osadzone w matrycy hydrożelowej mogą tworzyć aktywne, oddychające panele produkujące tlen. Celuloza bakteryjna może posłużyć jako biodegradowalny szkielet konstrukcyjny. Grzybnia może stanowić bazę dla kompozytów o właściwościach filtracyjnych czy architektonicznych. Testowanie tych materiałów w warunkach symulowanej mikrograwitacji pozwoli sprawdzić, czy zachowują swoją funkcjonalność w środowisku kosmicznym, co otwiera drogę do zastosowań w habitatach, systemach oczyszczania wody i powietrza czy nawet w materiałach o zastosowaniu biomedycznym. Dzięki takiemu doborowi organizmów ten sam zestaw badań można analizować z wielu perspektyw jednocześnie: środowiskowej, materiałowej i biomedycznej, co jest źródłem prawdziwej synergii między wszystkimi dyscyplinami zaangażowanymi w projekt – podkreśla dr inż. Anna Jurga. Synergia wielu dyscyplin naukowych Badaczki z Wydziału Chemicznego odpowiadają w badaniach za część materiałową, koncentrującą się na projektowaniu i wytwarzaniu innowacyjnych układów zawierających żywe mikroalgi. Zakres prac obejmuje syntezę i charakterystykę nowych materiałów hydrożelowych do druku 3D/4D, opracowanie efektywnej metody immobilizacji mikroalg oraz analizę aktywności fotosyntetycznej żywych materiałów ELM. Ważnym elementem badań jest również analiza procesów transportu masy w wytworzonych materiałach hydrożelowych, ze szczególnym uwzględnieniem dyfuzji tlenu. Z kolei na Wydziale Medycznym wykonane zostanie zaawansowane obrazowanie struktur biologicznych i biomateriałów. W projekcie wykorzystywane będą m.in. mikroskopia konfokalna, mikroskopia holotomograficzna, optyczna koherentna tomografia oraz metody spektroskopowe, które pozwolą ocenić mikrostrukturę, porowatość i żywotność komórek w badanych układach. Badania rozpoczną się w październiku i potrwają do końca przyszłego roku. Zostaną sfinansowane uczelnianym grantem w wysokości 435 tys. zł . MK, źródło: PWr