Rośliny mogą posłużyć do produkcji leków w kosmosie. Naukowcy opracowali nową metodę
Produkcja leków w kosmosie może stać się bardzo ważnym elementem przyszłych długich podróży kosmicznych. Badacze opracowali metodę, dzięki której rośliny będą mogły wielokrotnie wytwarzać substancje farmaceutyczne bez konieczności ich niszczenia. Technologia może pomóc astronautom podczas wielomiesięcznych misji.
Produkcja leków w kosmosie
W ramach nowego badania naukowcy z University of California San Diego opracowali nową metodę, która pozwoli astronautom podczas długich misji kosmicznych wykorzystywać rośliny do produkcji świeżych zapasów leków. Inżynierowie zaproponowali technikę prowadzenia upraw i wielokrotnego pozyskiwania substancji farmakologicznych z roślin w warunkach przypominających kosmiczne, bez ich niszczenia i bez generowania dużych ilości odpadów. Metoda może również pomóc w zapewnieniu taniej produkcji farmaceutyków w regionach o ograniczonych zasobach na Ziemi. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „npj Science of Plants”.
Zdaniem badaczy jednym z największych wyzwań podczas długotrwałych podróży kosmicznych będzie zapewnienie astronautom bezpiecznych i skutecznych leków. Wiele medykamentów szybciej traci swoje właściwości w warunkach mikrograwitacji. Nawet na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej stwierdzono, że ponad połowa przechowywanych tam leków traci ważność w ciągu trzech lat. To zaledwie czas wystarczający na podróż na Marsa, która może trwać około 200 dni w jedną stronę. Regularne uzupełnianie zapasów środków medycznych miliony kilometrów od Ziemi nie jest jednak możliwe. Zdaniem naukowców rośliny oferują obiecujące rozwiązanie, ponieważ mogą działać jako miniaturowe fabryki farmaceutyków.
„Dzięki roślinom można produkować złożone związki lecznicze przy użyciu światła, wody i gleby. To duża przewaga nad obecnymi systemami produkcji farmaceutyków, które wymagają ogromnych zbiorników i sterylnych warunków. Ponadto rośliny są już uprawiane w kosmosie i mogą pomagać w recyklingu powietrza oraz wody na pokładach statków kosmicznych” – mówi Nicole Steinmetz z University of California San Diego.
Eksperymentalny lek z roślin
Inżynierowie przetestowali swoją metodę na przykładzie eksperymentalnego związku terapeutycznego (therapeutic compound), nad którym pracują od ponad dekady – wirusa roślinnego zwanego cowpea mosaic virus (CPMV). Choć jest on bardziej znany z infekowania roślin strączkowych, naukowcy wskazują na jego zdolność do stymulowania układu odpornościowego do atakowania komórek nowotworowych. CPMV wykazał silne działanie przeciwnowotworowe w eksperymentach z udziałem myszy i psów. Do jego produkcji badacze wykorzystali rośliny Nicotiana benthamiana oraz fasolę czarne oczko (black-eyed pea).
„Hodowla tego związku w tych roślinach jest prosta. Mogą one w krótkim czasie wytworzyć ogromną ilość biomasy, co oznacza więcej produktu leczniczego. Jednak główna trudność polega obecnie na tym, jak go wydobyć z roślin” – podkreśla Patrick Opdensteinen z University of California San Diego.
„Pozyskiwanie CPMV oraz innych produktów farmaceutycznych z roślin zwykle polega na zrywaniu liści i ich rozdrabnianiu. Otrzymuje się coś, co wygląda jak smoothie, i można sobie wyobrazić, że wydobycie produktu z takiej mieszaniny jest trudne. Sprzęt, którego używamy do tego procesu, zajmuje całe nasze laboratorium. Dotychczas nie dało się go zmieścić na statku kosmicznym” – dodaje.
W czasie nowego badania inżynierowie skoncentrowali się na uproszczeniu tego etapu. Zainspirowali się metodą stosowaną w produkcji farmaceutyków z wykorzystaniem komórek bakteryjnych i ssaczych, znaną jako wydzielanie produktu (product secretion). Jest to proces, w którym żywe komórki produkują i uwalniają na zewnątrz pożądaną substancję chemiczną. Zamiast niszczyć komórki, aby wydobyć produkt, naukowcy „zmuszają” je do ciągłego oddawania wytworzonego związku.
„Zasadniczo produkt wydostaje się z tych komórek. W przypadku roślin również jest to możliwe” – twierdzi Patrick Opdensteinen.
Rośliny wydzielają gotowy produkt do przedziału wewnątrz liści zwanego apoplastem, który jest siecią połączonych ze sobą przestrzeni znajdujących się poza błoną komórkową.
Naukowcy odkryli, że mogą wydobywać CPMV z apoplastu, zachowując liście w nienaruszonym stanie. Aby to osiągnąć, najpierw zanurzyli je w roztworze buforowym i umieścili w szczelnym pojemniku. Następnie zastosowali próżnię, dzięki której apoplast wypełnił się płynem. Nasycone liście umieścili później w fiolkach i delikatnie odwirowali w wirówce, aby wyciągnąć płyn zawierający cząstki CPMV. Uzyskany płyn należało oczyścić za pomocą filtra oddzielającego większe cząstki wirusa od mniejszych, niepożądanych elementów roślinnych.
Inżynierom udało się pozyskać i oczyścić cząsteczki CPMV z ponad 50 roślin w czasie krótszym niż dwie godziny. Ponieważ liście pozostawały nienaruszone, rośliny mogły nadal rosnąć i potencjalnie być wykorzystywane wielokrotnie.
Produkcja leków w warunkach kosmicznych
Badacze przetestowali również tę metodę na roślinach uprawianych w symulowanych warunkach kosmicznych. Aby odtworzyć mikrograwitację, naukowcy stworzyli specjalną maszynę do losowego pozycjonowania, która nieustannie obracała rośliny, skutecznie niwelując działanie grawitacji.
Rośliny były również wystawiane na wahania temperatury i stres oksydacyjny, co naśladowało skutki promieniowania kosmicznego. W niektórych przypadkach czynniki stresowe nieznacznie zwiększały wydajność produkcji CPMV. Naukowcy przypuszczają, że efekt ten może być związany z naturą wirusa roślinnego.
„Rośliny stają się bardziej podatne na choroby, gdy są zestresowane, co zwykle jest wadą. Ponieważ jednak nasz produkt pochodzi z wirusa roślinnego, możemy wykorzystać tę reakcję stresową do zwiększenia wydajności” – zaznacza Patrick Opdensteinen.
Inżynierowie planują przetestowanie tej metody podczas rzeczywistych misji kosmicznych. Zanim jednak będzie to możliwe, będą musieli lepiej zrozumieć wpływ warunków kosmicznych na procesy zachodzące w roślinach, takie jak pobieranie wody i składników odżywczych. Zamierzają także sprawdzić, jak starty rakiet oddziałują na nasiona roślin i ich materiał genetyczny.
Emil Gołoś
