Przyszłe długoterminowe misje załogowe na Księżyc i Marsa, planowane przez NASA, stanowią monumentalne wyzwania logistyczne. Jednym z kluczowych problemów jest zapewnienie odpowiedniego odżywiania dla astronautów podczas wieloletnich podróży, gdzie przestrzeń ładunkowa jest ograniczona, a możliwości zaopatrzenia nie istnieją. Witaminy i inne kluczowe składniki odżywcze mają ograniczony okres przydatności do spożycia i z czasem tracą swoją skuteczność, co oznacza, że zapasy zabrane z Ziemi mogą nie być wystarczające lub skuteczne. Aby pokonać tę przeszkodę, naukowcy rozwijają rewolucyjną technologię bioprodukcji – tworzenie składników odżywczych na żądanie, bezpośrednio w kosmosie. W centrum tych wysiłków znajduje się seria eksperymentów o nazwie BioNutrients, która testuje zdolność mikroorganizmów do stania się miniaturowymi, samowystarczalnymi fabrykami związków niezbędnych dla ludzkiego zdrowia.

Mikroskopijne fabryki dla zdrowia astronautów

Początkowym krokiem w tym ambitnym projekcie był eksperyment BioNutrients-1, wystrzelony na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) już w kwietniu 2019 roku. W trakcie prawie sześcioletnich badań astronauci testowali system oparty na genetycznie zmodyfikowanych drożdżach piekarskich (Saccharomyces cerevisiae), mikroorganizmie bezpiecznym i powszechnie stosowanym w diecie człowieka. Naukowcy z Centrum Badawczego Ames NASA w Dolinie Krzemowej opracowali system, w którym odwodnione drożdże i sproszkowane źródło pożywienia czekają w specjalnych pojemnikach. Aktywacja jest prosta: astronauci wstrzykują sterylną wodę, co uruchamia proces wzrostu. W środowisku płynnym drożdże namnażają się i, niczym maleńka fabryka, zaczynają produkować beta-karoten i zeaksantynę. Są to silne przeciwutleniacze, normalnie obecne w warzywach takich jak marchew i szpinak, które mają kluczowe znaczenie dla ochrony oczu przed uszkodzeniami, co jest szczególnie ważne w środowisku kosmicznym o podwyższonym poziomie promieniowania.

Astronauci nie spożywali wyprodukowanych składników odżywczych; zamiast tego, po 48 godzinach inkubacji w cieple, próbki były zamrażane i zwracane na Ziemię w celu szczegółowej analizy. Naukowcy dokładnie badali wydajność systemu, ilość wyhodowanych drożdży oraz stężenie wyprodukowanych składników odżywczych. Jednym z kluczowych celów BioNutrients-1 było przetestowanie długoterminowej żywotności. W tym celu użyto dwóch rodzajów drożdży. Pierwszy był zdolny do tworzenia spor – uśpionej, niezwykle odpornej formy życia, która może przetrwać ekstremalne warunki, w tym wysokie promieniowanie i długotrwałe przechowywanie. Oczekuje się, że spory mogą pozostać żywotne przez co najmniej pięć lat, co jest kluczowe dla misji na Marsa. Drugi rodzaj drożdży był w formie wegetatywnej, czyli metabolicznie aktywnej. Chociaż oczekiwano krótszego okresu przydatności, ten rodzaj jest interesujący, ponieważ jest już komercyjnie stosowany w suplementach probiotycznych i oferuje szerszy wachlarz możliwości przyszłych modyfikacji. Analizy próbek zwróconych na Ziemię wykazały znakomite rezultaty – niektóre mikroorganizmy pozostały zdolne do aktywacji nawet po ponad pięciu latach w kosmosie, potwierdzając solidność koncepcji.

Ewolucja eksperymentu: Od sztywnych pojemników do elastycznych torebek

Bazując na sukcesach pierwszej fazy, w listopadzie 2022 roku na ISS dotarł BioNutrients-2. Ta kontynuacja przyniosła znaczące innowacje, mające na celu optymalizację systemu pod kątem rzeczywistych warunków długotrwałych lotów kosmicznych. Największa zmiana dotyczyła sprzętu. Zamiast stosunkowo ciężkich i sztywnych pojemników, BioNutrients-2 wykorzystywał lekkie, elastyczne torebki, podobne do tych, w których pakowana jest żywność dla astronautów. Ta zmiana konstrukcyjna drastycznie zmniejszyła masę i objętość systemu, uwalniając cenną przestrzeń i obniżając koszty startu.

Jednocześnie poszerzono „menu” mikroorganizmów. Oprócz dwóch rodzajów drożdży z pierwszego eksperymentu, dodano cztery nowe kultury. Dwie z nich to bakterie używane do produkcji jogurtu, jedna do kefiru, a ostatnia była szczególnie interesująca – rodzaj drożdży zmodyfikowany bioinżynieryjnie do produkcji folistatyny. Folistatyna to białko odgrywające kluczową rolę w utrzymaniu masy mięśniowej, ponieważ hamuje działanie miostatyny, białka odpowiedzialnego za rozpad mięśni. Atrofia mięśni jest jednym z największych zagrożeń zdrowotnych dla astronautów w stanie nieważkości, a możliwość produkcji związku, który mógłby temu przeciwdziałać bezpośrednio w kosmosie, stanowi potencjalną rewolucję w medycynie kosmicznej. W ciągu 2023 roku załoga na ISS z powodzeniem przeprowadziła dwa cykle eksperymentów z tym nowym systemem, potwierdzając jego funkcjonalność i wszechstronność.

Najnowsza faza: Bezpieczeństwo żywności i wielofunkcyjne drożdże na ISS

Najnowszy rozdział w sadze BioNutrients rozpoczął się niedawno, w sierpniu 2025 roku, wraz z wystrzeleniem eksperymentu BioNutrients-3 w ramach misji SpaceX CRS-33. Ta faza stanowi kluczowy krok w kierunku rzeczywistego zastosowania, z naciskiem na bezpieczeństwo żywności i dalsze zwiększanie wydajności. Sprzęt nadal opiera się na elastycznych torebkach, ale mają one teraz większą objętość, aby umożliwić testowanie protokołów bezpieczeństwa na większych próbkach. W tej fazie wykorzystywane są komercyjne startery do jogurtu i kefiru, a także nowe, zaawansowane szczepy drożdży, które zostały genetycznie zmodyfikowane do produkcji wielu różnych składników odżywczych w jednej torebce. Jest to znaczący krok naprzód w optymalizacji procesu.

Jedną z najciekawszych innowacji w BioNutrients-3 jest podłoże do wzrostu mikroorganizmów, które jest w pełni jadalne, chociaż astronauci jeszcze go nie będą spożywać. Jest to przygotowanie do przyszłych eksperymentów, w których produkty będą testowane jako rzeczywiste źródło pożywienia. Ponadto wprowadzono genialny wskaźnik wizualny do monitorowania fermentacji. Do mieszaniny dodano naturalny barwnik z czerwonej kapusty, który zmienia kolor w zależności od kwasowości (wartości pH). Gdy bakterie przekształcają cukry w kwas podczas fermentacji jogurtu i kefiru, mieszanina zmienia kolor z fioletowego na różowy. Daje to astronautom prosty, wizualny i nieomylny sposób śledzenia postępu procesu bez potrzeby korzystania ze skomplikowanego sprzętu.

Innowacyjne technologie dla przyszłości podróży kosmicznych

BioNutrients-3 wprowadza również kilka zaawansowanych technologii, które są kluczowe dla stworzenia samowystarczalnego systemu żywieniowego. Jedną z nich jest testowanie „elektronicznego nosa” (E-Nose), czujnika, który symuluje ludzki zmysł węchu z wyjątkową czułością. Urządzenie to może wykrywać lotne związki organiczne wydzielane przez patogeny lub bakterie psujące żywność, zapewniając szybką i nieinwazyjną metodę sprawdzania bezpieczeństwa żywności. Ponadto astronauci przetestują proces pasteryzacji przy użyciu istniejącego na stacji sprzętu – podgrzewacza do żywności. W ten sposób sprawdzona zostanie możliwość zniszczenia pozostałych mikroorganizmów po zakończeniu fermentacji, aby produkt był bezpieczny do długotrwałego przechowywania i spożycia. Wreszcie, zademonstrowana zostanie również technika ponownej hodowli, w której niewielka część gotowego jogurtu jest używana do zapoczątkowania nowej partii, podobnie jak utrzymuje się zakwas na chleb. Opanowanie tej techniki oznaczałoby, że system mógłby być utrzymywany niemal w nieskończoność przy minimalnych zapasach początkowych.

Szerszy zasięg: Z kosmosu do odległych zakątków Ziemi

Chociaż technologia stojąca za projektem BioNutrients została opracowana głównie na potrzeby astronautów, ma ona również ogromny potencjał na Ziemi. Zdolność do produkcji świeżych składników odżywczych, a nawet leków, na żądanie i przy minimalnej infrastrukturze, mogłaby odmienić życie w odległych obszarach, strefach dotkniętych klęskami żywiołowymi lub podczas długotrwałych operacji wojskowych, gdzie łańcuchy dostaw są zawodne. Rozwijając mikroorganizmy, które mogą przetrwać długi okres spoczynku, a następnie zostać skutecznie reaktywowane, NASA nie tylko otwiera drzwi do eksploracji głębokiego kosmosu, ale także tworzy rozwiązania, które mogłyby poprawić zdrowie i jakość życia ludzi na całej naszej planecie.