A Marsra induló első űrhajósok számára az egyik legkritikusabb kérdés, hogy mit egyenek 3 éves küldetésük alatt. A probléma nem csupán ízlés kérdése. Egy nemrégiben készült becslés szerint egy 6 fős legénységnek mintegy 10 tonna élelmiszerre lenne szüksége az út során. A NASA, amely 2 évtizeden belül embert küldene a Marsra, azt tervezi, hogy megtölt egy űrhajót készételekkel, majd további készleteket indít a vörös bolygóra a hazautazáshoz. De még ez sem oldaná meg teljesen a problémát.
A mikrotápanyagok, köztük számos vitamin, hónapok alatt lebomlanak, így ezeket útközben kellene szintetizálni. Az élelmiszer ráadásul nem csak kalóriaforrás, mondja Jennifer Fogarty, a Baylor Orvostudományi Egyetem űregészségügyi kutatóintézetének vezetője. Az íz, az állag, a frissesség és más tényezők mind fontos szerepet játszanak a jóllétünk fenntartásában. Egy ilyen küldetésnél pedig nem lehet egyszerűen a túlélés a cél, mondja Fogarty. A mai tartósított élelmiszerek így teljesen alkalmatlanok egy marsi küldetéshez, hangsúlyozza a kutató.
Robert Jinkerson, a Kaliforniai Egyetem vegyészmérnöke szerint megoldás lenne a problémára, ha az űrhajósok saját fedélzeti kertet gondoznának menet közben – a növényeket napfény helyett is mesterséges tápanyagokkal táplálva. Ezt ugyanakkor nem lesz könnyű megvalósítani, elvégre a növények több százmillió éve arra specializálódtak a Földön, hogy a napfényből nyerjenek energiát. Jinkerson szerint azonban lehetséges a növények már meglévő anyagcsere-útvonalait újra aktiválva megoldani a kihívást.
Ezek azok az útvonalak, amelyek a földbe ásott magok csírázását teszik lehetővé, majd leállnak, amint a leveleket már napfény éri.
A szakértő elképzelése szerint a napelemekből származó elektromos energiával az űrhajó legénysége által kilélegzett vizet és szén-dioxidot egyszerű, energiában gazdag szénhidrogénekké lehet átalakítani, amelyeket a genetikailag módosított növények felhasználhatnának a növekedéshez – akár a mélyűr sötétjében, akár a Marson, ahol feleannyi fény érné őket, mint a Földön.
Jinkerson csapata mostanra sikeresen demonstrálta, hogy egyes módosított növények fénymentes körülmények között képesek túlélni – még ha nem is érzik túl jól magukat. Ha sikerül olyan növényeket létrehozni, amelyek még jobban bírják ezeket a körülményeket, Jinkerson úgy véli, hogy nemcsak az űrhajósok táplálására, hanem a Földön is nagy jövő várhat az ilyen fajtákra. Ezeket ugyanis olyan helyeken is lehetne termeszteni, ahol a hagyományos mezőgazdálkodás nem lehetséges.
Kemény dió
Az elmúlt évtizedekben több kutatócsoport is próbálkozott a növények a fényről való „leszoktatásával” – nem sok sikerrel. A fény nemcsak a fotoszintézisben játszik szerepet, hanem a csírázásban, a növekedésben, a virágzásban és a gyümölcsök érésében is. Jinkerson ugyanakkor olyan genetikai módosításokkal és hozzáadott tápanyagokkal próbálkozik, amelyekkel korábban senki, és ez lehet a sikerének kulcsa.
Az új megközelítésben nagy szerepe van a kiindulópontnak: Jinkerson eredetileg az üzemanyag-előállítás megreformálását tűzte ki céljául, posztdoktori kutatóként 2014–17 között fotoszintetizáló algák génmódosításával foglalkozott, amelyek bioüzemanyaggá alakítható olajokat termeltek. Ebben az időszakban világszerte számos vegyész dolgozott hasonló terveken, olyan cégek erős támogatásával, mint a Shell és az Exxon Mobil. Végül az algaalapú bioüzemanyagok kőolajhoz képesti magas költségei nyomán a legtöbb ilyen projektet elkaszálták, így Jinkersonét is. Menet közben azonban kiderült számára, hogy egyes algafajták képesek növekedni a sötétben, ha egy egyszerű folyékony szénhidrogénnel, acetáttal táplálják őket.
Jinkerson aztán 2017-ben részt vett Feng Jiao, a Delaware-i Egyetem vegyészének egy szemináriumán. Jiao csapatának elektrolízises kísérleteit ismertette, ezeket egy könyvméretű eszközzel hajtották végre, amely szén-dioxidból és vízből elektromos energiával acetátot és etilént, a műanyagok építőelemét hozza létre. Az etilén hatalmas piaca miatt a fejlesztés eleve nagy port kavart, Jinkerson azonban az acetáttermelésben rejlő lehetőségekre figyelt fel.
A kutató azt találta ki, hogy ha a rendszerrel lehetséges acetátot előállítani szén-dioxidból, akkor ezzel lehetne etetni az algákat, és egy nap talán az élelmiszernövényeket is.
A két csapat rövidesen közös munkába kezdett. Jiao és tanítványai módosították elektrolizálójukat, hogy felpörgessék az acetáttermelést. Tavaly megjelent tanulmányukban arról számoltak be, hogy az eredeti, 30%-os acetát helyett a rendszer immár 99%-os acetátot termel, ami elég nagy tisztaságú ahhoz, hogy közvetlenül a növényeknek adják. Az azóta elvégzett fenntarthatósági elemzés szerint ráadásul az acetát ilyen módon való előállítása olcsóbb lehet, mint a hagyományos módszerek, amelyekkel például a textilipari felhasználásra szánt acetátot állítják elő.
Gombasiker
Közben pedig Jinkersonék is tovább folytatták a munkát: szintén tavaly közzétett tanulmányukban arról számoltak be, hogy az elektrolízissel előállított acetáttal sötétben nevelt laskagombákat, élesztőgombákat és algákat tápláltak. Ezek az organizmusok akár 18-szor hatékonyabban alakították át új biomasszává a kémiai energiát, mintha fotoszintézissel termesztett növények kapták volna az acetátot.
A gombatermesztő kísérletet a csapat a Deep Space Food Challenge elnevezésű verseny részeként hajtotta végre. Ezt a versenyt a NASA és a Kanadai Űrügynökség indította 2021-ben, hogy innovatív módszereket találjanak az űrhajósok táplálására a hosszabb mélyűri küldetések során. A kaliforniai és delaware-i csapat Nolux (latinul „nincs fény”) néven indult a kihíváson, és 2021 októberében több mint 300 jelentkező közül beválasztották őket a 18 döntős csapat közé. (A többi döntős között volt olyan projekt, amelyben szárított rovarsejtekből emuláltak hagyományos hústermékeket, valamint olyan is, amelyben pluripotens őssejtekből növesztettek húst.)
A verseny következő szakaszában a csapatoknak élelmiszer-előállító rendszerük prototípusát kellett összerakni.
A Nolux vonatkozó eredményei alapján egy 2 köbméteres reaktorban termesztett, acetátokkal táplált gombatelep naponta körülbelül 8,5 kilogramm élelmiszert tudna biztosítani, vagyis több mint egyharmadát annak, amire egy 6 fős legénységnek szüksége lenne egy mélyűri küldetésen.
A múlt hónapban a csapat egyike lett az öt amerikai győztesnek, amiért 150 ezer dolláros jutalmat kaptak.
Az ígéretes eredmények ellenére továbbra is vannak kihívások. Egyrészt napi több mint 1 kilogramm gomba elfogyasztása valószínűleg a legnagyobb gombarajongók számára is sok lenne. Ugyanakkor a növényeket jóval nehezebb lesz sötétben termeszteni. A gombák, az élesztőgombák és egyes algák heterotrófok, vagyis olyan szervezetek, amelyek más növényeket vagy állatokat fogyasztanak táplálékul, és természetes körülmények között is képesek sötétben növekedni. A növények többsége ugyanakkor autotróf, azaz a napfényből állítja elő saját táplálékát.
Anyagcserejátékok
A már említett tanulmányban Jinkerson, Jiao és kollégáik arról is beszámoltak, hogy kilenc sötétben nevelt növényt, köztük salátát, paradicsomot és paprikát is acetáttal tápláltak kísérleteik során. Bár a növények ilyen körülmények között túléltek, nem tudtak növekedni. Izotópos kísérletekből annyi kiderült, hogy a növények képesek az acetátot beépíteni a szöveteikbe – ami biztató jel –, de ez egyelőre nem elég hatékony ahhoz, hogy új szövetek növekedését támogassa.
A további vizsgálatokból az is kiderült, hogy miért. Az acetátot a citromsavciklus néven ismert anyagcserecikluson keresztül dolgozták fel a növények, amelyek általában ezt az útvonalat használják a fotoszintézis során szintetizált és eltárolt cukormolekulák lebontására. Utóbbi során a bontás lépésről lépésre történik, és minden egyes lépés során energiát nyernek, amelyet fehérjék és más alapvető sejtépítő elemek szintézisére használhatnak fel, miközben minden ciklus során szén-dioxidot is leadnak. A megmaradt cukrokat aztán a növényi szövetek építésére lehet felhasználni.
A cukormolekulákkal ellentétben azonban, amelyeknek öt vagy hat szénatomjuk van, az acetátmolekuláknak csak két szénatomjuk van, így nem marad elég szénatom a levelek, gyökerek vagy szárak építésére.
A növény sejtfunkciói működőképesek maradnak, és a szervezet egészséges lesz, de növekedése leáll.
Ahhoz, hogy olyan növényeket hozzanak létre, amelyek valóban képesek acetáttal táplálva növekedni, és végül ehető leveleket és gyümölcsöket termelni, Jinkerson és kollégái most a CRISPR és más génszerkesztő módszerek segítségével igyekeznek újraindítani azokat a géneket, amelyek a magok csírázásakor rövid ideig aktívak. Azt, hogy a csírázás során a magokban tárolt keményítő, fehérjék és olajok felhasználásra kerüljenek, a glioxilátciklusnak nevezett anyagcsere-útvonal lehetővé teszi. Ez megkerüli a citromsavciklus azon lépéseit, amelyek során a szén szén-dioxid formájában leadásra kerül, így megőrződik a növekedésre felhasználható szén.
Hasonló genetikai kapcsolók az emberekben is működnek, mondja Jinkerson. Az egyik például lehetővé teszi, hogy a csecsemők feldolgozzák a tejben lévő cukrot, a laktózt, de ez sok felnőttnél kikapcsol, ami laktózérzékenységet okoz. Az emberi evolúció során ez a kapcsoló sokaknál visszakapcsolódott, és lehetővé tette számukra, hogy felnőttként is megigyák a tejet. „Most ugyanezt próbáljuk elérni a növényekben” – mondja a kutató.
Cukorügyek
Az eddigi eredmények ígéretesek. Először a kutatók úgy alakították át a lúdfüvet, egy genetikai vizsgálatokhoz gyakran használt növényt, hogy be legyen kapcsolva az acetil-CoA-szintetáz (ACS) nevű enzim génje, amely kémiailag módosítja az általuk elfogyasztott acetátot. A módosítás lehetővé tette, hogy a növények normálisan növekedjenek, ha magas koncentrációban táplálják őket acetáttal. Azóta pedig két másik gén – az izocitrát-liáz (ICL) és a malát-szintáz (MLS) – aktivitását is fokozni kezdték, amelyek lehetővé teszik a csírázó növények számára, hogy megkerüljék a citromsavciklust, és az acetátot a glioxilát-útvonalon keresztül metabolizálják. Ha ez sikerül, a kutatók azt fogják tesztelni, hogy a módosított növények képesek-e a sötétben virágozni.
A vizsgálat kapcsán ugyanakkor a biztató jelek ellenére problémás lehet, hogy a növények számos folyamat elindításához a fényre támaszkodnak, beleértve a virágzást és érést kiváltó jelátviteli kaszkádokat, ami megnehezítheti, hogy rávegyék őket a teljes sötétben való növekedésre. És annak is nagy a kockázata, hogy gombák és algák hatolnak be a termesztőközegbe, és elnyelik az összes acetátot, mielőtt a növények felhasználhatnák azt. Adam Arkin, a Berkeley mélyűri küldetéseken dolgozó biomérnöke szerint ez az aggodalom önmagában is túl sok lehet a NASA számára, az űrben ugyanis nagyon-nagyon kockázatkerülő mindenki.
Az acetát ugyanakkor nem az egyetlen potenciális táplálékforrás a sötétben nevelt növények számára. A cukrok is vonzó lehetőséget jelenthetnek, ha valahogyan elő lehetne állítani őket az űrben. A növények már most is termelnek cukrokat a fotoszintézis során, és az anyagcsere céljából a szöveteikben szétosztják ezeket.
Ha sikerülne úgy átalakítani őket, hogy a mesterségesen adagolt cukrokat is felhasználják, akkor nem lenne szükség a növényi anyagcsere olyan mértékű átszervezésére, mint az acetát esetében.
Egy nemzetközi kutatócsoportnak korábban sikerült gyapotnövényeket sötétben is növekedésre bírni, ha cukros vízzel táplálták őket. Jinkerson és Martha Orozco-Cárdenas, a Kaliforniai Egyetem növénytranszformációs kutatóközpontjának vezetője közösen kezdtek vizsgálódni, hogy ugyanezt élelmiszernövényekkel is meg lehet-e valósítani. Salátából származó szövetekkel kezdték, és kimutatták, hogy ezek a sejtek szacharózzal etetve képesek sötétben is gyarapodni. A kezdeti eredmények csak szerény növekedést mutattak, de az íz teljesen rendben volt. A csapat ráadásul a B12-vitamin előállítására szolgáló géneket is hozzáadott a salátához, és igazolták, hogy a sötétben nevelt növények megtermelik a vitamint. Ez különösen előnyös lehet az űrben, ahol ennek a tipikusan állati eredetű vitaminnak a biztosítása kihívást jelent.
A csapat most a koktélparadicsom cukros vízen nevelésével kísérletezik. A növényt genetikailag úgy módosítottak, hogy szinte nincs levele és szára, így az energiája nagy részét a termés előállítására fordíthatja. A Small Plants for Space Exploration, azaz SPACE paradicsom nevet viselő növényeket a tervek szerint a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén fogják tesztelni, hogy kiderüljön, hogyan hat a mikrogravitáció a növekedésükre, és képesek-e olyan magokat teremni, amelyeket újra el lehet ültetni. Ha igen, akkor ez az űrhajósok számára hatékony módot kínálhat a friss paradicsom biztosítására, miközben minimálisra csökkenti a nem ehető növényi hulladék mennyiségét.
Űrparadicsom
A cukorral való táplálásnak is vannak persze nehézségei, ezt sem lehet egyszerű tonnaszám feljuttatni az űrbe. A cukrok elektrolízissel történő szintézisével kapcsolatos legújabb fejlesztések viszont ezt szükségtelenné tehetik. Az acetáthoz képest a cukrok molekulaszerkezete összetettebb, így nehezebb szintetizálni őket, de Peidong Yang, a Berkeley vegyésze és társai nemrégiben arról számoltak be, hogy elektrolízis révén a szén-dioxidból és vízből glikolaldehidet és formaldehidet hoztak létre, majd ezekből egy fém katalizátorral cukrokat, köztük glükózt szintetizáltak.
Egy kínai kutatócsoportnak pedig acetátból sikerült nagy hatékonysággal glükózt létrehoznia egy génmódosított élesztőgomba révén. Bár e megközelítések egyike sem éri még el Jiao acetátelektrolízisének hatásfokát, az eredmények reményt adnak arra, hogy a jövő űrhajósai képesek lesznek a kilélegzett levegővel életben tartani a növényeiket.
A különféle folyamatok beindításához nélkülözhetetlennek tűnő fényt pedig a tervek szerint időszakos megvilágítással fogják biztosítani a szakértők.
Ehhez Jinkerson csoportja most azon dolgozik, hogy meghatározzák, mikor és milyen mennyiségű fényre van szükség a kulcsfontosságú folyamatokhoz. Ha sikerül optimalizálni a megvilágítást, hogy a növények növekedéséhez általában szükséges fénymennyiség ezredrészénél is kevesebb kellhet a módosított növények boldogulásához, mondják a szakértők.
És olyan kutatók is vannak, akik szerint még ez a minimális fénymennyiség is áthidalható más módszerekkel. Egy 2020-as tanulmányban J. Clark Lagarias (Kaliforniai Egyetem) és kollégái arról számoltak be, hogy egy rizsnövényekben azonosított mutáció, amely megváltoztatja a fitokróm B nevű fényérzékeny fehérjét, lehetővé teszi, hogy fény hiányában is beinduljanak a növekedési és fejlődési lépések.
***
Földi körülmények között a legtöbb helyen a fény ingyen és bőségesen rendelkezésre áll, így nincs szükség Jinkerson anyagcsere-machinációira. Néhány magas árú zöldség esetében azonban lehet, hogy van értelme az átállásnak. A sötétben való termesztés lehetővé tenné, hogy a cukorból sokkal magasabb értékű termékeket hozzanak létre. Emellett az is lehetségessé válna, hogy a növényeket egész évben termeszteni lehessen a világ bármely pontján, anélkül, hogy aggódni kellene az aszály, a viharok, a fagyok és a nagy távolságú szállítás miatt.
A mai vertikális gazdaságokban a növényeket beltérben, padlótól mennyezetig egymásra helyezett állványokon termesztik, és nagy hatékonyságú LED-lámpákkal világítják meg őket. A lámpák működtetéséhez szükséges villamos energiával és az egyéb energiaigényekkel együtt azonban a vertikális farmok átlagosan hétszer annyi energiát használnak, mint a hagyományos üvegházak. A többletköltségek pedig korlátozzák a vertikális termesztés hatókörét, amit a sötétben növeszthető növények kiterjesztenének, véli Jinkerson.
