کاربرد بیوتکنولوژی در اخترزیست‌شناسی

برای دهه‌هاست که بشریت از بیوتکنولوژی(زیست‌فناوری) در کشاورزی، تولید غذا و پزشکی استفاده می‌کند.  بیوتکنولوژی شاخه‌ای گسترده از زیست‌شناسی به‌شمار می‌رود که شامل استفاده از ارگانیسم‌ها و سیستم‌های زنده برای توسعه یا تولید محصولات است. بیوتکنولوژی اغلب با زمینه‌های مرتبط مثل زیست‌شناسی مولکولی، مهندسی زیستی، مهندسی زیست‌پزشکی، مهندسی مولکولی و… هم‌پوشانی دارد و همکاری‌های گسترده‌ای میان بیوتکنولوژی و دیگر شاخه‌های علمی صورت می‌پذیرد.

نقش بیوتکنولوژی در اخترزیست‌شناسی:

تکنولوژی فضایی و علوم فضایی مثل اختر زیست‌شناسی میتواند همکاری‌های مهم و تاثیرگذاری با حوزه بیوتکنولوژی داشته باشد:

1. تحقیقات میکروگرانش: شرایط میکروگرانش در فضا می‌تواند محیط منحصربه‌فردی را برای انجام آزمایش‌ها فراهم کند. این می‌تواند شامل پژوهش روی کریستالیزاسیون پروتئین، رفتار سلولی، دی‌ان‌ای، آر‌ان‌ای و بیشتر باشد. کریستال‌های پروتئین در فضا بهتر و کامل‌تر رشد می‌کنند که به دلیل فقدان آشفتگی‌های ناشی از گرانش صورت می‌گیرند. این کریستال‌های(بلورهای) باکیفیت به پژوهشگران کمک می‌کند تا ساختارهای پروتئین را دقیق‌تر درک کنند که منجر به بهبود ساخت و تولید داروهای مختلف می‌شود.

• پژوهش در شرایط سخت: فضا محیطی خشن و بی‌رحم به‌نظر می‌رسد و ارگانیسم‌هایی که می‌توانند در آن محیط زیست‌ناپذیر، زنده مانده و تکثیر یابند مکانیسم‌های منحصر‌به‌فردی را توسعه داده‌اند که بیوتکنولوژیست‌ها می‌توانند درباره‌شان چیزهای زیادی یاد بگیرند. برای مثال، مطالعه روی اکسترموفیل‌ها(ارگانیسم‌هایی که در شرایط سخت و خشن زندگی می‌کنند) ممکن است منجر به پیشرفت‌هایی در مهندسی ژنتیک و دیگر بخش‌های کاربردی بیوتکنولوژی شود.

• پژوهش روی تابش: سطوح تابش و تشعشع بالا در فضا آزمایشگاهی طبیعی را برای مطالعه اثرات آن روی سیستم‌های زیستی مهیا می‌کند. درک این اثرات می‌تواند به توسعه و پیشرفت در اندازه‌گیری‌های محافظت دربرابر پرتو (Radioprotective) در درمان‌ها منتهی شود که زمینه‌هایی مثل درمان سرطان بسیار مهم و ضروری به شمار می‌رود.

• حیات فرازمینی: علم مطالعه وجود حیات و زندگی ورای زمین که با نام اخترزیست‌شناسی شناخته می‌شود، می‌تواند به‌طور ویژه و مؤثری با بیوتکنولوژی همکاری داشته باشد. کشف نوظهور زندگی یا درک اصول بنیادین زندگی در کیهان می‌تواند منجر به کاربردهای نوین و جدید در بیوتکنولوژی شود.

• سیستم‌های پشتیبان از زندگی زیستی: در مأموریت بلندمدت فضایی، بیوتکنولوژی نقشی اساسی در ساخت و توسعه سیستم‌های پشتیبان از زندگی خودپایدار ایفا می‌کند مثل بازیافت پسماند به اکسیژن، آب و غذا. دانش و تکنولوژی‌هایی که برای این اهداف توسعه داده شده‌اند می‌توانند کاربردهای زمینی هم داشته باشند مثل کشاورزی پایدار، مدیریت پسماند و تولید انرژی زیستی.

• مواد زیستی: شرایط میکروگرانش در فضا به دانمشندان این امکان را فراهم می‌کند تا مواد زیستی جدید ایجاد کنند. برای مثال بافت‌ها و اندام‌ها برای پیوند ممکن است در فضا به گونه‌ای رشد کنند که به حالت طبیعی نزدیک‌ است.

• بیوانفورماتیک: داده‌های حاصل از آزمایش‌های زیستی در فضا مقدار زیادی داده تولید می‌کنند که منجر به پیشرفت‌هایی در بیوانفورماتیک می‌شود (رشته‌ای میان‌رشته‌ای که علوم کامپیوتر، آمار، ریاضیات و مهندسی را ترکیب می‌کند تا داده‌های زیستی را آنالیز و بیان کرد).

با ادغام اخترزیست‌شناسی و بیوتکنولوژی، دانمشندان و پژوهشگران می‌توانند سرزمین‌های ناشناخته را کاوش کنند و راه‌های جدیدی برای پژوهش گشوده شود و راه‌حل‌های نوینی برای مسائل حل‌نشده توسعه دهند. یک مثال برای این، مطالعه زیست پزشکی (biomedical ) برای کنترل و کاهش عوامل تنش‌زای مربوط به فضا روی سیستم‌های زنده به منظور کمک در کاوش‌های فضایی هست. تا وقتی که فضا محیطی آسیب‌زا برای حیات زمینی به‌شمار می‌رود، توسعه تکنیک‌هایی که قادر هستند عوامل تنش‌زای فضایی مثل میکروگرانش، تابش، انزوا و…  را کاهش دهند، ضروری و حیاتی تلقی می‌شود.

آزمایش‌های مربوط به بیوتکنولوژی در ایستگاه بین‌المللی فضایی: در اینجا به چندین آزمایشی که مربوط به استروبیوتکنولوژی (اخترزیست‌فناوری) هستند را بررسی می‌کنیم:

1. ژن‌ها در اسپیس-۳: این آزمایش بیان می‌کند که چگونه تنش‌های فضایی به ژنتیک ارگانیسم‌هایی مثل مخمر تأثیر می‌گذارند. این اولین استفاده از تکنولوژی کریسپر در فضا به‌شمار می‌رود.

• میکرو-۱۰: آزمایش میکرو-۱۰ تأثیرات میکروگرانش روی مخمر کاندیدا آلبیکانس را بررسی می‌کند که پاتوژنی فرصت‌طلب برای انسان‌ها در فضا به‌حساب می‌آید.(کاندیدا آلبیکانس یک مخمر بیماری‌زا است و معمولاً عامل عفونت‌های برفک دهان و عفونت قارچی دستگاه تناسلی است، این قارچ به صورت هم‌زیستی مسالمت‌آمیز در بدن انسان زندگی می‌کند و بیماری ایجاد نمی‌کند).

• تراشه‌های بافت در فضا: تراشه‌های بافت، مدل‌های کوچکی از اندام‌های انسان هستند که شامل چندین نوع سلول که بسیار شبیه وقتی که در بدن انسان هستند، انجام می‌دهند.

• Rodent Research-9:

این پروژه چگونگی تاثیر پروازهای فضایی روی عملکرد تولید آنتی‌بادی(پادتن) و حافظه‌ی ایمنی را بررسی می‌کند.

• قلب و عروق: این پژوهش روی چگونگی تأثیرات تغییرات گرانشی روی سلول‌های قلبی‌عروقی در سطح سلولی و با استفاده از بافت‌های قلبی مهندسی‌شده‌ی سه‌بعدی، مورد مطالعه قرار می‌دهد.

• زیست‌کاوی در میکروگرانش(سیارک زیستی): این آزمایش تلاش می‌کند متوجه شود که چگونه میکروب‌ها عناصر دارای ارزش اقتصادی را از سنگ‌ها در میکروگرانش و گرانش سطح سیاره‌ مریخ استخراج می‌کنند.

• موش‌های قدرتمند در فضا: این مطالعه می‌خواهد عملکرد مولکولی که به نظر می‌رسد نقشی اساسی در پیشرفت تحلیل ماهیچه‌ها ایفا می‌کند را در موش‌ها در طی ماموریت‌های فضایی بررسی کند، نتایج می‌توانند بینش و نگرش جدیدی را درباره نقش این مولکول در سلامت ماهیچه‌ها را به ارمغان بیاورند که منجر به درمان‌های جدیدی برای وسیعی از بیماری‌ها می‌شود.

اخترزیست‌فناوری(استروبیوتکنولوژی) در آینده: رشد بیوتکنولوژی می‌تواند به توسعه و پیشرفت محصولاتی که به درمان بیماری‌ها کمک می‌کند، ردپای محیط‌زیستی را کاهش می‌دهد، گرسنگی را برطرف می‌کند و محصولات صنعتی کاربردی‌تر و به‌صرفه‌تر تولید می‌کند، منتهی شود. در مبحث اکتشاف فضایی و پژوهش، بیوتکنولوژی می‌تواند بینش‌های گرانقدری در چگونگی فرایندها و پژوهش‌های زیستی بیرون از سیاره زمین انجام می‌شود، فراهم کند، همچنین می‌تواند در توسعه تکنولوژی‌های جدید و روش‌های نوین برای پشتیبانی از سفرهای فضایی بلندمدت انسان‌ها کمک کند.

به عنوان گونه انسان ما نیازمند منبع پایداری از اکسیژن هستیم همچنین به دسترسی ثابتی به غذا و مواد مغذی، آب پاک و سیستم دفع پسماند ایمن و تمیز نیازمندیم. در ایستگاه بین‌المللی فضایی چنین دسترسی‌ها و سیستم‌هایی وجود دارند. بیشتر آب ایستگاه بازیافت می‌شود همچنین ایستگاه بخشی از اکسیژنش را از آب تأمین می‌کند. اما چه اتفاقی میفتد اگر انسان‌ها بخواهند به اعماق فضا سفر کنند، بسیار دور از خانه‌مان. استقرار یک پایگاه روی ماه یا بردن انسان‌ها به مریخ برای اولین بار، هدف چندین کشور جهان و میلیاردرهاست.

جف بزوز با Blue Origin و ایلان ماسک با SpaceX در حال مبارزه بر سر ماموریت‌های ناسا به ماه هستند. در ضمن ایلان ماسک در تلاش برای بردن انسان‌ها به مریخ هم هست. برای زنده ماندن در مأموریت‌های بلندمدت، نیازمند حمل میزان زیادی آب، غذا و اکسیژن هستیم. برای مأموریتی به سمت مریخ چنین تجهیزاتی بالغ بر 30 تن می‌شود که برای پرتاب‌گرها(لانچر) خیلی سنگین به شمار می‌رود. سرتاسر جهان، دانشمندان در تلاشند تا این چالش‌ها را حل کنند، چگونه؟ با کمک بیوتکنولوژی.

سالم نگه‌داشتن فضانوردان: در حالی‌که شروع به انجام ماموریت‌های فضایی طولانی می‌کنیم، باید با تأثیرات زندگی ورای زمین، روی بدن انسان‌ها روبه‌رو شویم. بدیهی است که گرانش صفر، ماهیچه‌ها و استخوان‌های قوی‌ترین فضانوردان را در عرض شش ماه ضعیف می‌کند. برای جلوگیری از این، فضانوردان فعالیت‌های بدنی در فضا انجام می‌شود، اما آنها در خطر آسیب‌های ماهیچه و استخوان در طی بازگشت به زمین هستند. به منظور سفرهای فضایی دورتر فضایی، سفینه‌های فضایی نیازمند تجهیز شدن برای درمان خدمه هستند. در طول مأموریت‌های طولانی‌مدت فضایی آسیب‌ها و تحلیل ماهیچه‌ها و استخوان و آسیب‌های ناشی از تابش و تشعشعات از اصلی‌ترین چالش‌ها و خطرات برای فضانوردان به شمار می‌روند. پلوری(یک شرکت بیوتک) درمان‌هایی براساس سلول‌های پلاسنتال برای درمان طیف گسترده‌ای از بیماری‌ها توسعه داده است. این شرکت با ناسا برای آزمایش این سلول‌‌درمانی‌ها به عنوان درمانی برای بیماری‌های ناشی از سفرهای فضایی همکاری می‌کند.

پرورش و رشد غذا در فضا: ایستگاه بین‌المللی فضایی برای تأمین غذا به منابع زمینی وابسته است. پرورش و رشد غذا برای سفرهای طولانی فضایی ضروری و حیاتی خواهد بود. ناسا چندین پروژه که سبزیجات را به فضا ارسال و رشد می‌دهند و روی چگونگی رفتار گیاهان زیر «فشار زندگی فضایی» را مطالعه می‌کند. دانشمندان متوجه شدند که بودن در فضا ژن‌هایی را فعال می‌کند که گیاه را برای پاسخ به گرما و سیلاب آماده می‌کند. شناسایی این ژن‌ها به پژوهشگران اجازه داده است تا گیاهان را از نظر ژنتیکی مهندسی کنند بدین ترتیب گیاهان در فضا بهتر رشد می‌کنند. اما هدف نهایی توانایی رشد غذا روی سیارات دیگر و ماه‌های آن‌هاست. چین اخیرا آزمایش‌هایی را برای ساخت «قصر قمری Lunar Palace) روی قطب جنوب ماه به اجرا درآورده است. درحالی ‌که ناسا و ایلان ماسک چشم به فرستادن انسان‌ها به مریخ دارند. انسان‌ها با سفر به مریخ خیلی شبیه به فیلم مریخی(محصول ۲۰۱۵ با درخشش مت دیمون) به کشت سیب‌زمینی‌ها و دیگر سبزیجات روی سیاره سرخ متکی خواهند بود. این کار به این آسانی که در فیلم نمایش می‌دهد، نیست، برای این‌که خاک مریخ برای رشد و کشت گیاهان بسیار شور و نمکی است.

ریچارد بارکر و تیمش از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون که با ناسا همکاری می‌کند، درحال پژوهش روی تکنولوژی مهندسی ژنتیکی برای مقاوم‌سازی گیاهان نسبت به شوری و خشکسالی بوده‌اند(طبیعتا مریخ در مقایسه با زمین، آب چندانی ندارد). این گروه درحال انجام آزمایش با «رَشادی گوش موشی» بوده‌اند (گیاه گل‌دار کوچک و بومی اروپا، آسیا و شمال غربی آفریقا است، این گیاه اولین گیاهی هست که نقشه ژنی آن توالی‌یابی شد) و به موش آزمایشگاهی دنیای گیاهان شناخته می‌شود. آژانس فضایی اروپا درحال اجرای آزمایشاتی مشابه برای رشد گیاهان و دیگر مواد مغذی در مأموریت‌های فضایی است. در بلندمدت، رژیم غذایی در فضا لزوما فقط به سبزیجات و جلبک محدود نخواهد بود. شرکت بیوتک آلف فارمز در سال ۲۰۱۹ توانست اولین استیک گوساله در فضا را چاپ زیستی کند (چاپ زیستی، تکنولوژی رو به تکاملی در حوزه مهندسی بافت‌ها که در آن از چاپگرهای سه‌بعدی متصل به کامپیوتر برای ساختن سریع و دقیق ساختارهای زیستی سه‌بعدی استفاده می‌کنند).

تولید اکسیژن و آب پاک: امروزه بخشی از ایستگاه بین‌المللی فضایی از آب استخراج  و از طریق واکنش شیمیایی تأمین می‌شود. این کار به ذخایر ارزشمندی از آب و تجهیزات عظیم نیازمند هست. روی سیاره زمین، ما اکسیژن‌مان را از گیاهان و دیگر جانداران و از طریق فتوسنتز بدست می‌آوریم، پس چرا همین کار را در فضا انجام ندهیم؟

آژانس فضایی اروپا روی پروژه‌ای به نام ملیسا (MELiSSA) کار می‌کند، این پروژه برای 30 سال روی چگونگی تولید و بازیافت اکسیژن، آب و غذا در مأموریت‌های فضایی و با استفاده از زیست‌شناسی انجام می‌شده است.

آژانس فضایی اروپا، چندین پرواز آزمایشی به فضا(ایستگاه بین‌المللی فضایی) داشته است و نشان داده است که می‌توانیم جلبک رشد دهیم و CO2  را به اکسیژن بازیافت کنیم. دانشمندان همچنین قادر هستند، نرخ تولید را بسته به میزان مصرف و با دقت بالا کنترل کنند. پروژه ملیسا ثابت کرده است که بازیافت نزدیک به 100 درصد کربن‌دی‌اکسید در دسترس با استفاده از جلبک ممکن است. دانشمندان آژانس فضایی اروپا، درحال پژوهش روی سرعتی که در آن جلبک قادر است در فضا رشد کند، بوده‌اند. هرچه سریعتر جلبک رشد کند، مقدار کمتری از جلبک برای تولید اکسیژن نیاز خواهد بود. آژانس فضایی اروپا درحال همکاری با DAC  و شرکت دانمارکی آکواپورین است تا روش بهینه‌تر برای تصفیه آب توسعه دهند. با استفاده از پروتئین باکتریایی که می‌تواند مولکول‌های آب را در طول غشا انتقال دهد. آکواپورین روش کاربردی‌تر و سریع‌تر برای تصفیه‌سازی آب توسعه داده است.

هدف نهایی ساخت سیستم پشتیبان حیات مستقلی است که می‌تواند هرچیزی را بدون ورودی خارجی بازیافت کند. آژانس فضایی اروپا درحال آزمایش چنین سیستم پشتیبان حیات برای زنده نگه‌داشتن نامحدود موش‌ها بدون هیچ تماسی با محیط بیرون هست.

برای بی‌نهایت و ورای آن:

هدف غایی که انسان‌ها دنبال می‌کنند مستقل بودن در فضا بدون وابستگی به منابع زمینی هست. آنچه معلوم است اینست که هیچ محدودیتی در سفر انسان‌ها به فضا وجود ندارد. بیوتکنولوژی به نظر می‌رسد که تمام نیازها برای سفرهای طولانی مدت فضایی را برطرف می‌کند و درنهایت چیزهای علمی تخیلی را به واقعیت تبدیل می‌کند.

نویسنده: مهران عظیمی

آکادمی اخترزیست‌شناسی ایران

منابع

https://www.thespacereview.com/article/3953/1