Nad wyposażonym w miniaturowe laboratorium nanosatelitą, który umożliwi badania komórkowe w warunkach mikrograwitacji, pracują naukowcy z wrocławskich uczelni, instytutów badawczych i firmy SatRevolution. Na swój projekt konsorcjum otrzymało 3,6 mln zł w ramach grantu z NCBiR.

Projekt realizowany będzie w ramach przyjętego w 2018 r. programu rozwoju Dolnośląskiej Strefy Technologii Biomedycznych. Samorząd Województwa Dolnośląskiego wraz z Narodowym Centrum Badań i Rozwoju zdecydował o przekazaniu na prace badawczo-rozwojowe 100 mln zł dla przedsiębiorców i naukowców z Dolnego Śląska.

Z dwudziestu pięciu zgłoszonych do konkursu wniosków specjalna komisja wyłoniła pięć, które otrzymały dofinansowanie. Wśród nich znalazł się projekt „Bio-nanosatelita wykorzystujący zminiaturyzowane instrumenty lab-on-chip oraz metodologia prowadzenia badań bio-medycznych z jego wykorzystaniem w warunkach mikrograwitacji”.

Realizowany on będzie w konsorcjum, w skład którego wchodzą wrocławska firma SatRevolution (lider), Politechnika Wrocławska, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu, Uniwersytet Przyrodniczy oraz Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda PAN.

Mikrograwitacja, a komórki

Głównym celem projektu jest budowa nanosatelity, który będzie wyposażony w miniaturowe laboratorium (tzw. lab-on-chip) i umożliwi przeprowadzenie różnego rodzaju badań komórkowych w warunkach mikrograwitacji.

– Wykorzystanie mikrograwitacji do stymulowania określonych zachowań obiektów żywych, to jeden z najnowszych i najbardziej fascynujących trendów badawczych i technicznych. Wiadomo bowiem, że mikrograwitacja i promieniowanie kosmiczne powodują degradację na poziomie genetycznym, komórkowym i tkankowym. Przykładem są tutaj kosmonauci chorujący na rozliczne choroby. Badania w tym zakresie powinny dać odpowiedź, czy my, jako ludzkość jesteśmy w stanie zdobywać przestrzeń kosmiczną, bo przecież zwykły lot na Marsa to dwa lata przebywania w mikrograwitacji i kilka miesięcy spędzonych w warunkach zmniejszonej grawitacji – mówi prof. Jan Dziuban z Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki PWr.

Myśląc o zasiedlaniu Księżyca czy kolonizacji Marsa będziemy musieli także znaleźć sposób na przetransportowanie tam zwierząt i roślin. Konieczne są więc badania, jak właściwie mikrograwitacja wpływa na takie właśnie organizmy na początku ich drogi rozwojowej, czyli w formie embrionalnej lub ziaren.

Obecnie na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej prowadzone są już tego typu eksperymenty, które pozwalają znaleźć odpowiedź na podstawowe pytania. Wiadomo już, że leki onkologiczne działają na hodowane kolonie komórek nowotworowych dużo skuteczniej i szybciej niż na Ziemi. Okazało się także, że szereg innych, odpowiedzialnych za odporność człowieka komórek i przeciwciał, w kosmosie wykazuje albo postępującą degradację albo zwiększoną aktywność.

– W tego typu badaniach problemem jest jednak cena, bo wyniesienie jednego kilograma ładunku na orbitę to koszt ok. miliona dolarów, w wypadku lotu na orbitę Księżyca rośnie on dziesięciokrotnie, a w wypadku wyprawy na Marsa zapewne i stukrotnie. Dodatkowo, jeśli prowadzane jest doświadczenie biomedyczne, które może przynieść ze sobą nowe terapie, to pojawia się kwestia własności intelektualnej i praw do wykorzystania wyników – tłumaczy prof. Jan Dziuban.

Kilka lat temu pojawił się więc pomysł, by budować bardzo małe satelity tzw. nanosatelity o masie od 1 do 50 kg. Standardowy nanosatelita waży ok. kilograma i ma objętość podstawową 1 U (czyli ok. jednego litra). Na świecie produkcja nanosatelitów obserwacyjnych i telekomunikacyjnych jest już dość dobrze rozwinięta, istnieją także nanosatelity wyposażone w laboratoria do przeprowadzenia prostych eksperymentów na orbicie.

– My zaproponowaliśmy troszkę inne podejście do tego typu zagadnienia. Chcemy zbudować kompleksowe laboratorium, które we wnętrzu nanosatelity automatycznie przeprowadza eksperymenty, a dane spływają na ziemię w czasie prawie rzeczywistym. Byłyby to eksperymenty krótkotrwałe, trwające od trzech tygodni do maksymalnie trzech miesięcy. Tak mały satelita latałby na niskiej orbicie więc po okresie 1-2 lat spali się w atmosferze – wyjaśnia prof. Jan Dziuban.

Duże możliwości małego laboratorium 

Laboratorium na chipie (tzw. lab-on-chip), w którym prowadzone będą eksperymenty, to miniaturowe urządzenie o rozmiarze od kilku milimetrów do kilku centymetrów kwadratowych, które łączy w sobie kilka funkcji laboratoryjnych. Wykorzystywane jest do różnego rodzaju analiz biochemicznych np. analizy materiału genetycznego, krwi ale także do hodowli komórek.

Taka uniwersalna platforma badawcza została przez zbudowana od podstaw przez naszych naukowców, którzy teraz dostosują ją do wymagań nanosatelitarnych. Trzon  zespołu który przeprowadzi te prace, to młodzi naukowcy, między innymi dr inż. Patrycja Śniadek (kierownik prac), dr inż. Agnieszka Podwin (twórca platformy), dr inż. Wojciech Kubicki (technolog i inwentor) oraz doktorantka Adrianna Graja z Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki PWr, która – pracując jednocześnie w firmie SatRevolution – jest łącznikiem między techniką mikrosystemów analitycznych, a techniką Cube-Sat.

Miniaturowe laboratorium zostanie wykorzystane do przeprowadzenia na pokładzie nanosatelity czterech biologicznych i biomedycznych eksperymentów.

Pierwszy z nich zakłada zbadanie na orbicie wpływu niektórych leków onkologicznych na hodowane komórki rakowe. Tego typu eksperymenty mogą w przyszłości prowadzić do opracowania nowych terapii onkologicznych, antybiotykoterapii czy leków. Pamiętając o tym, że reakcje komórek na leki w przestrzeni kosmicznej mogą być dużo silniejsze niż na ziemi, wyniki można uzyskać dużo szybciej. Partnerem w tym badaniu będzie Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu oraz Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN,  a prace koordynują dr hab. inż. Julita Kulbacka (UM) i prof. Joanna Wietrzyk.

Eksperymenty astrobiologiczne przeprowadzone zostaną we współpracy z Uniwersytetem Przyrodniczym we Wrocławiu, a skoordynuje je prof. Anna Chełmońska-Soyta. W pierwszym z nich naukowcy chcą sprawdzić, czy w warunkach mikrograwitacji wykiełkuje znajdujące się na pokładzie nanosatelity nasionko, a jeśli tak, to jaki jest potencjał jego rozwoju. Drugie badanie dotyczy zachowania grzybów glebotwórczych, które odpowiadają za tworzenie się żyznej gleby.

– To bardzo ciekawe zagadnienie, bo chcąc hodować rośliny na Księżycu czy Marsie potrzebujemy gleby, a nikt przecież nie przewiezie tam kilkuset jej ton. Wszystko trzeba będzie wytworzyć na miejscu – dodaje prof. Jan Dziuban. 

Kolejny eksperyment przeprowadzony zostanie również we współpracy z Instytutem Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN we Wrocławiu (koordynuje je prof. Chełmońska-Soyta). Zakłada on sprawdzenie, jak w warunkach mikrograwitacji zachowają się pobrane od myszy komórki układu odpornościowego – limfocyty T.

Wrocławskie uczelnie, wrocławska firma

Za budowę nowego nanosatelity odpowiedzialna będzie firma SatRevolution, która specjalizuje się w produkcji kompletnych  platform nanosatelitarnych Cube-Sat  i podsystemów dla nich.  Spółka stworzyła m.in. pierwszego polskiego satelitę komercyjnego o nazwie „Światowid”, którego zadaniem jest wykonywanie zdjęć Ziemi w świetle widzialnym. Został on wyniesiony na orbitę w kwietniu 2019 r i przekazał obrazy Ziemi.

Faza naukowa projektu zaplanowana jest na 18 miesięcy. Po upływie tego czasu satelita znajdzie się w kosmosie, a planowane eksperymenty prowadzone będą przez trzy tygodnie. Obecnie trwają już rozmowy z firmami zajmującymi komercjalnym  wynoszeniem nanosatelitów na orbitę.

– Kosztowne będzie nie tylko samo wystrzelenie nanosatelity, lecz także uzyskanie pozwolenia na transmisję danych oraz kwestia ich przesyłania. W tym wypadku będziemy chcieli skorzystać z już istniejących sieci, które należą do międzynarodowych korporacji czy NASA. Oceniamy, że koszt wyniesienia naszego satelity na orbitę będzie kosztował ok. 40 tys. dolarów za kilogram, a cały projekt zamknie się w kwocie ok. 10 proc. klasycznej misji kosmicznej – powiedział prof. Jan Dziuban.

W kolejnej fazie projektu rozwiązanie zostanie wdrożone. Trzeba bowiem pamiętać, że głównym celem całego przedsięwzięcia jest nie przeprowadzenie eksperymentów, lecz opracowanie nowego modelu nanosatelity i technologii prowadzenia doświadczeń, z których później korzystać będą mogły m.in. firmy farmaceutyczne.

– Planowane przez nas eksperymenty służą do przetestowania naszego produktu i technologii. Można więc powiedzieć, że w tym projekcie łączymy naszą ciekawość badawczą z potrzebami gospodarki i planami rozwoju na terenie Dolnego Śląska przemysłu kosmicznego – podkreślił prof. Jan Dziuban.

mic