Космонавтам на космических базах или во время дальних космических полётов будет не хватать множества необходимых расходных материалов, к которым мы привыкли на Земле. К ним относятся не только кислород для дыхания и продукты питания, но и эффективные и безопасные в применении лекарства.
Одна из важных проблем космических полётов заключается в том, что большинство лекарств в условиях космоса подвержено быстрому разложению. Например, на Международной космической станции выяснилось, что срок годности по крайней мере половины лекарств истекает в течение трёх лет или менее. Этого может едва хватить для полёта на Марс, который, вероятно, займёт около 200 дней в одну сторону, но если космонавты останутся там на некоторое время или лекарства начнут портиться быстрее, ситуация обострится.
Новое исследование группы учёных из Калифорнийского университета в Сан-Диего, опубликованное в журнале npj Science of Plants, показывает, что в будущем для пополнения запасов лекарств можно будет использовать растения, превратив их в мини-фабрики по производству фармацевтических препаратов. Команда разработала метод выращивания и получения лекарственных веществ из растений в условиях, имитирующих космические, и, что важно, без уничтожения растений и образования значимого количества отходов.
Как считает ведущий автор исследования Николь Стейнметц из Инженерной школы имени Джейкобса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, сложные лекарственные соединения можно выращивать, используя лишь свет, воду и почву. По сравнению с существующими системами производства лекарственных средств, предполагающими использование больших резервуаров и стерильных условий, это значительный шаг вперёд. Кроме того, уже был успешный опыт выращивания растений в космосе, – они могут способствовать переработке воздуха и воды на борту космического корабля.
Пробное производство
Стейнметц и её коллеги уже реализовали свою идею в лабораторных условиях. Они использовали экспериментальный лекарственный препарат — растительный вирус с многообещающими лечебными свойствами, называемый вирусом мозаики коровьего гороха (CPMV), который часто встречается в бобовых культурах. Потенциальная польза CPMV заключается в его сильной способности стимулировать иммунную систему, что необходимо, в первую очередь, для уничтожения раковых клеток, а также для борьбы с некоторыми хроническими заболеваниями и инфекционными болезнями. Противоопухолевое действие CPMV доказало свою эффективность как в доклинических моделях (на мышах), так и в клинических исследованиях (на собаках).
Для получения CPMV исследователи использовали Nicotiana benthamiana — близкого родственника австралийского табака — и растения черноглазого гороха. Эти растения также известны тем, что за короткое время дают большие объёмы биомассы. Затем перед исследователями стояла задача извлечь CPMV из этих растений. Обычно для этого сначала измельчают листья в блендере, а затем проводят многоэтапную экстракцию, что требует много времени и, что ещё важнее, громоздкого оборудования. Учёные оказались в затруднительном положении, поскольку взять с собой на борт столько оборудования совершенно недопустимо. Но именно на этом этапе был предложен новаторский метод, значительно упростивший весь процесс.
Дело в том, что растения выделяют вещества в специальное пространство внутри листьев, расположенное за пределами клеточной мембраны. Оно называется апопласт. Исследователям удалось извлечь CPMV из апопласта, сохранив листья в целости, с помощью следующей последовательности действий:
1. Погружение листьев в буферный раствор.
2. Создание вакуума для насыщения апопласта жидкостью.
3. Центрифугирование насыщенных листьев для извлечения жидкости, содержащей CPMV.
4. Очистка жидкости через фильтр, отделяющий более крупные частицы CPMV от более мелких фрагментов растительного материала.
Исследователям потребовалось всего два часа, чтобы извлечь частицы CPMV из более чем 50 растений с помощью базового набора оборудования. Поскольку листья остаются неповреждёнными, растения продолжают расти, и эту процедуру можно повторять многократно. Более того, для извлечения вируса, возможно, можно использовать и другие части растений.
Испытание метода в условиях космоса
Наконец, чтобы сделать исследование полноценным, команда попыталась смоделировать условия микрогравитации и космического излучения во время роста и «сбора урожая». Для этого растения постоянно вращались, одновременно подвергаясь колебаниям температуры и окислительному стрессу. Подобные условия не повлияли на «урожайность» CPMV, а, напротив, в некоторой степени даже увеличили её.
Этот, на первый взгляд, неожиданный результат исследователи связывают с тем, что растения становятся более восприимчивыми к заболеваниям в условиях стресса, а поскольку искомый продукт получают из растительного вируса, такая реакция на стресс может повысить урожайность.
Применение метода на практике
Прежде чем данный метод можно будет опробовать в реальных космических миссиях, предстоит проделать ещё немало работы. Команда намерена изучить, как космические условия влияют на определённые процессы в растениях, такие как поглощение воды и питательных веществ. Кроме того, исследователи планируют совместно с Лабораторией ракетных двигателей Калифорнийского университета в Сан-Диего изучить, как запуски ракет влияют на семена растений и другой генетический материал.
Они с большим оптимизмом смотрят на будущее применение своей технологии, тем более что этот метод, помимо использования в космосе, может также обеспечить недорогое производство лекарственных препаратов во многих регионах нашей планеты, испытывающих дефицит ресурсов.
