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TECNOLOGÍA. Diseñan un biorreactor de algas para sobrevivir en Marte

 

Atmos, el nuevo biorreactor. C. Verseux / ZARM

A medida que se acercan las fechas límite para la primera misión humana en Marte, los científicos están realizando experimentos para que el planeta rojo sea lo más hospitalario posible para los asentamientos humanos. Un nuevo experimento, publicado en Frontiers in Microbiology , por investigadores de la Universidad de Bremen, Alemania, ha demostrado por primera vez que las cianobacterias Anabaena, también conocidas como algas verdiazules, se pueden cultivar con éxito en las condiciones atmosféricas marcianas.

Imagen del biorreactor de algas. Fuente:  C. Verseux / ZARM

Los astronautas en Marte necesitarán oxígeno, agua, alimentos y otros consumibles, por lo que este es un avance significativo, ya que facilita mucho el desarrollo de sistemas biológicos sostenibles de soporte vital.  

Sobreviviendo en Marte
Para dar algunos antecedentes, se cree que un boom de cianobacterias que tuvo lugar hace 2.400 millones de años fue en gran parte responsable de la atmósfera respirable de la Tierra . La presencia de cianobacterias dio oxígeno a la atmósfera. Por esta razón, los científicos ya estaban considerando si y cómo podríamos aprovechar la capacidad de las cianobacterias para producir oxígeno para vivir en Marte y, posiblemente, en otros planetas.

Sin embargo, la presión atmosférica de Marte siempre se presentó como un revés. En este experimento, los investigadores desarrollaron un biorreactor llamado Atmos. Tiene una presión atmosférica de alrededor del 10 por ciento de la de la Tierra y usa solo los ingredientes que se pueden encontrar en Marte. 

El biorreactor también tenía agua, que se puede recolectar del hielo congelado de Marte que es abundante en ciertos lugares. Además, tenía un simulador de regolito marciano, que los investigadores prepararon mezclando minerales que se pueden encontrar en Marte. El sistema que tenía nueve recipientes de vidrio y acero fue cuidadosamente controlado y monitoreado en todo momento.

"Aquí mostramos que las cianobacterias pueden usar gases disponibles en la atmósfera marciana, a una presión total baja, como su fuente de carbono y nitrógeno", dijo el astrobiólogo Cyprien Verseux .

Diseño conceptual del bioreactor de algas. Fuente:  C. Verseux / ZARM

En estas condiciones, las cianobacterias mantuvieron su capacidad de crecer en agua que contenía solo polvo similar a Marte y aún podrían usarse para alimentar a otros microbios. Esto podría ayudar a que las misiones a largo plazo a Marte sean sostenibles. El equipo ahora quiere trabajar en el desarrollo de un sistema de biorreactor que pueda hacer posible la vida en Marte algún día.

Atmósfera de baja presión
Las cianobacterias han sido durante mucho tiempo consideradas candidatas para impulsar el soporte vital biológico en misiones espaciales, ya que todas las especies producen oxígeno a través de la fotosíntesis, mientras que algunas pueden fijar el nitrógeno atmosférico en nutrientes. Una dificultad es que no pueden crecer directamente en la atmósfera marciana, donde la presión total es menos del 1% de la de la Tierra - 6 a 11 hPa, demasiado baja para la presencia de agua líquida - mientras que la presión parcial del gas nitrógeno - 0,2 a 0,3 hPa - es demasiado bajo para su metabolismo. Pero recrear una atmósfera similar a la de la Tierra sería costoso: los gases tendrían que ser importados, mientras que el sistema de cultivo tendría que ser robusto - por lo tanto, pesado para el transporte - para resistir las diferencias de presión. Entonces, los investigadores buscaron un término medio.

Para encontrar las condiciones atmosféricas adecuadas, Verseux et al. desarrolló un biorreactor llamado Atmos (para "Probador de atmósfera para sistemas orgánicos con destino a Marte"), en el que las cianobacterias pueden cultivarse en atmósferas artificiales a baja presión. Cualquier entrada debe provenir del propio Planeta Rojo: aparte del nitrógeno y el dióxido de carbono, los gases abundantes en la atmósfera marciana y el agua que podría extraerse del hielo, los nutrientes deben provenir del "regolito", el polvo que cubre planetas y lunas similares a la Tierra. Se ha demostrado que el regolito marciano es rico en nutrientes como fósforo, azufre y calcio.


Sistemas de soporte vital basados ​​en cianobacterias en Marte: uso de cianobacterias alimentadas con recursos locales para disminuir la dependencia de materiales importados de la Tierra en futuras misiones tripuladas de larga duración. El concepto fue descrito en detalle por Verseux et al. (2016a) . Reproducido de Verseux (2020b)  



Anabaena: cianobacterias versátiles cultivadas en polvo similar a Marte
Atmos tiene nueve recipientes de 1 L hechos de vidrio y acero, cada uno de los cuales es estéril, calentado, controlado por presión y monitoreado digitalmente, mientras que los cultivos en el interior se agitan continuamente. Los autores eligieron una cepa de cianobacterias fijadoras de nitrógeno llamada Anabaena sp. PCC 7938, porque las pruebas preliminares mostraron que sería particularmente bueno para usar los recursos marcianos y ayudar a cultivar otros organismos. Se ha demostrado que las especies estrechamente relacionadas son comestibles, adecuadas para la ingeniería genética y capaces de formar células inactivas especializadas para sobrevivir en condiciones adversas.

Verseux y sus colegas primero cultivaron Anabaena durante 10 días bajo una mezcla de 96% de nitrógeno y 4% de dióxido de carbono a una presión de 100 hPa, diez veces más baja que en la Tierra. Las cianobacterias crecieron tan bien como bajo el aire ambiente. Luego probaron la combinación de la atmósfera modificada con regolito. Debido a que nunca se ha traído ningún regolito de Marte, utilizaron un sustrato desarrollado por la Universidad de Florida Central (llamado "Mars Global Simulant") en su lugar para crear un medio de crecimiento. Como controles, Anabaena se cultivó en medio estándar, ya sea al aire ambiente o bajo la misma atmósfera artificial de baja presión.

Las cianobacterias crecieron bien en todas las condiciones, incluso en regolito bajo la mezcla rica en nitrógeno y dióxido de carbono a baja presión. Como se esperaba, crecieron más rápido en un medio estándar optimizado para cianobacterias que en Mars Global Simulant, en cualquier atmósfera. Pero esto sigue siendo un gran éxito: si bien el medio estándar debería importarse de la Tierra, el regolito es omnipresente en Marte. “Queremos utilizar como nutrientes los recursos disponibles en Marte, y solo esos”, dice Verseux.

La biomasa seca de Anabaena se molió, se suspendió en agua estéril, se filtró y se usó con éxito como sustrato para el crecimiento de la bacteria E. coli, lo que demuestra que se pueden extraer azúcares, aminoácidos y otros nutrientes para alimentar a otras bacterias, que son menos herramientas robustas pero probadas para la biotecnología. Por ejemplo, E. coli podría modificarse más fácilmente que Anabaena para producir algunos productos alimenticios y medicamentos en Marte que Anabaena no puede.

Los investigadores concluyen que las cianobacterias productoras de oxígeno y fijadoras de nitrógeno pueden cultivarse eficientemente en Marte a baja presión en condiciones controladas, con ingredientes exclusivamente locales.

Sea como fuere, el biorreactor, Atmos, no es el sistema de cultivo que se usaría en Marte. Está destinado a ser probado antes en la Tierra, con las condiciones que , en teoría, los astronautas se encontrarían en Marte. Pero los resultados ayudarán a guiar el diseño de un sistema de cultivo marciano, para pasar de esta prueba de concepto a un sistema que pueda usarse en Marte de manera eficiente.

Fuente: “A Low-Pressure, N2/CO2 Atmosphere Is Suitable for Cyanobacterium-Based Life-Support Systems on Mars” by Cyprien Verseux, Christiane Heinicke, Tiago P. Ramalho, Jonathan Determann, Malte Duckhorn, Michael Smagin and Marc Avila, 16 February 2021, Frontiers in MicrobiologyDOI: 10.3389/fmicb.2021.611798


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