Naukowcy z PWr zbadają, jak żywe materiały i układy biologiczne funkcjonują w kosmosie. Dzięki stworzeniu stanowiska do symulacji mikrograwitacji sprawdzą przydatność mikroalg czy bakterii w systemach podtrzymywania życia i budowie pozaziemskich habitatów.

Projekt „Utworzenie stanowiska do symulacji mikrograwitacji w badaniach układów biośrodowiskowych i materiałów typu Engineered Living Materials” otrzymał dofinansowanie w wysokości 435 tys. zł w ramach II edycji prowadzonego na naszej uczelni programu „Wsparcie zespołów badawczych”.

W prace będą zaangażowane badaczki z trzech Wydziałów PWr: Inżynierii Środowiska, Chemicznego oraz Medycznego, a także naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku (Austria) i Politechniki w Turynie (Włochy). Pracami kieruje dr inż. Anna Jurga z Katedry Biologii Środowiskowej i Ochrony Atmosfery.  W realizację projektu zaangażowana jest również dr inż. Urszula Miller z tej samej katedry, a zespół W7 uzupełniają doktorantka i studentka.

Inżynieria środowiska bez ziemskich zasobów

– Inżynieria środowiska ma naturalne zastosowanie w badaniach związanych z tematyką kosmiczną. Niemal każdy jej obszar, czyli oczyszczanie wody i powietrza, gospodarka odpadami czy obieg składników odżywczych, znajduje swoje odzwierciedlenie w kosmicznych systemach podtrzymywania życia, które muszą zamykać te same obiegi w skali mikro i bez dostępu do zasobów Ziemi – wyjaśnia dr inż. Anna Jurga.

Punktem wyjścia do badań jest jej praca doktorska, w której zajmowała się zamkniętym obiegiem wody i składników odżywczych w systemach kosmicznych. Zaowocowało to udziałem PWr w projekcie Horyzont Europa LUWEX, dotyczącym technologii pozyskiwania i uzdatniania wody z pyłu księżycowego (regolitu).

Naturalnym krokiem było połączenie sił z naukowcami z Wydziału Chemicznego, gdzie prowadzone są m.in. badania nad mikroalgami, biomateriałami i drukiem 3D/4D oraz z badaczami z Wydziału Medycznego, zajmującymi się obrazowaniem biologicznym. Dodatkowym impulsem była rozmowa z zespołem z Uniwersytetu w Innsbrucku, który pracuje nad architekturą kosmiczną i wykorzystaniem biomateriałów, w tym grzybni i bakteryjnej celulozy, w projektowaniu struktur dla środowisk pozaziemskich.

– Pojawiło się więc pytanie, czy te same układy biologiczne, badane dotychczas w warunkach ziemskich, zachowają swoją funkcjonalność w warunkach mikrograwitacji, a odpowiedź na nie wymagała stworzenia własnego stanowiska badawczego na PWr – mówi dr inż. Anna Jurga.

Sztuczna grawitacja Księżyca i Marsa w laboratorium

Jego trzonem będzie urządzenie Random Positioning Machine (RPM), czyli trójosiowy klinostat symulujący mikrograwitację poprzez losową zmianę orientacji próbki względem wektora grawitacji. Obsługuje ono tryby w zakresie od ok. 10^-3 g do 0,9 g, co obejmuje warunki odpowiadające grawitacji Księżyca oraz Marsa; ma także zintegrowane interfejsy zasilania i komunikacji oraz może pracować w inkubatorach z kontrolą temperatury i wilgotności. Stanowisko uzupełni inkubator z wytrząsaniem do przygotowania i prowadzenia hodowli mikroorganizmów zarówno przed eksperymentami w RPM, jak i w warunkach referencyjnych 1 g.

Pozostała część grantu zostanie przeznaczona na materiały eksploatacyjne (sondy pomiarowe do monitorowania parametrów fizykochemicznych, barwniki fluorescencyjne, szczepy biologiczne, pożywki oraz drobny sprzęt laboratoryjny), a także wyjazdy studyjne i konferencyjne.

Stanowisko będzie wykorzystywane do badania, jak symulowana mikrograwitacja wpływa na mikroalgi, rzęsę wodną, bakterie produkujące celulozę i grzyby jako potencjalne elementy rozwiązań ważnych dla inżynierii środowiska i systemów podtrzymywania życia, takich jak oczyszczanie wody i powietrza, produkcja tlenu, wychwyt CO₂, obieg składników odżywczych oraz wykorzystanie biomasy.

Algi, rzęsa, bakterie i grzyby w służbie astronautom

– Wybór tych czterech układów biologicznych wynika z tego, że każdy z nich wnosi inną, komplementarną funkcję istotną dla systemów bioregeneracyjnych i biofabrykacji materiałów. Mikroalgi oraz rzęsa wodna to organizmy fotosyntetyzujące, które produkują tlen, wychwytują CO₂ oraz pobierają azot i fosfor, przyczyniając się do oczyszczania wody, a przy tym wytwarzają biomasę o wysokiej wartości odżywczej – tłumaczy badaczka. – Celuloza bakteryjna może pełnić funkcję strukturalną, tworząc matrycę dla materiałów typu Engineered Living Materials (ELM), natomiast grzybnia umożliwia tworzenie funkcjonalnych kompozytów materiałowych, a grzyby uczestniczą w degradacji zanieczyszczeń – dodaje.

To właśnie na styku tych organizmów rodzi się największa wartość projektu, czyli materiały ELM – żywe struktury łączące komponent biologiczny z funkcjonalną strukturą materiałową.

Mikroalgi osadzone w matrycy hydrożelowej mogą tworzyć aktywne, oddychające panele produkujące tlen. Celuloza bakteryjna może posłużyć jako biodegradowalny szkielet konstrukcyjny. Grzybnia może stanowić bazę dla kompozytów o właściwościach filtracyjnych czy architektonicznych. Testowanie tych materiałów w warunkach symulowanej mikrograwitacji pozwoli sprawdzić, czy zachowują swoją funkcjonalność w środowisku kosmicznym, co otwiera drogę do zastosowań w habitatach, systemach oczyszczania wody i powietrza czy nawet w materiałach o zastosowaniu biomedycznym.

– Dzięki takiemu doborowi organizmów ten sam zestaw badań można analizować z wielu perspektyw jednocześnie: środowiskowej, materiałowej i biomedycznej, co jest źródłem prawdziwej synergii między wszystkimi dyscyplinami zaangażowanymi w projekt – podkreśla dr inż. Anna Jurga.

Synergia wielu dyscyplin naukowych

Badaczki z Wydziału Chemicznego – dr inż. Daria Podstawczyk, dr inż. Anna Bastrzyk oraz dr inż. Anna Dawiec-Liśniewska – odpowiadają w badaniach za część materiałową, koncentrującą się na projektowaniu i wytwarzaniu innowacyjnych układów zawierających żywe mikroalgi.

Zakres prac obejmuje syntezę i charakterystykę nowych materiałów hydrożelowych do druku 3D/4D, opracowanie efektywnej metody immobilizacji mikroalg oraz analizę aktywności fotosyntetycznej żywych materiałów ELM. Ważnym elementem badań jest również analiza procesów transportu masy w wytworzonych materiałach hydrożelowych, ze szczególnym uwzględnieniem dyfuzji tlenu.

Z kolei dr inż. Iwona Hołowacz, prof. uczelni z Wydziału Medycznego, będzie odpowiedzialna za zaawansowane obrazowanie struktur biologicznych i biomateriałów. W projekcie wykorzystywane będą m.in. mikroskopia konfokalna, mikroskopia holotomograficzna, optyczna koherentna tomografia oraz metody spektroskopowe, które pozwolą ocenić mikrostrukturę, porowatość i żywotność komórek w badanych układach.

– W prowadzenie doświadczeń są również zaangażowane doktorantki i studentki z W3 i W7. Dzięki temu młoda kadra zdobywa doświadczenie w interdyscyplinarnych badaniach łączących inżynierię środowiska, biotechnologię, biomateriały i technologie kosmiczne – zaznacza koordynatorka projektu.

W prace zaangażowana będzie również dr inż. arch. Monika Brandić Lipińska z Uniwersytetu w Innsbrucku (UIBK), absolwentka PWr, reprezentująca zespół Integrative Design/Extremes prof. Barbary Imhof. Drugim partnerem zagranicznym jest należąca do sieci Unite! Politechnika w Turynie (PoliTo), reprezentowana przez dr. Ignazio Roppolo.

– Obydwie współprace są traktowane długofalowo, a projekt ma stanowić fundament pod dalszy, trwały rozwój partnerstwa naukowego zarówno z UIBK, jak i z PoliTo, wykraczający poza ramy czasowe samego grantu – zapowiada dr inż. Anna Jurga.

Pięć kroków ku gwiazdom

Badania rozpoczną się w październiku i potrwają do końca 2027 r. Zostały podzielone na pięć etapów, obejmujących m.in. zakup i instalację urządzenia RPM oraz sond pomiarowych, przygotowanie stanowiska badawczego i procedur eksperymentalnych, a także badania mikroalg oraz materiałów ELM zawierających mikroalgi, które będą wykonywane we współpracy z partnerem z Turynu.

Równolegle prowadzona będzie zaawansowana charakterystyka obrazowa otrzymanych materiałów oraz analiza biochemiczna biomasy w celu oceny obecności związków bioaktywnych i potencjalnych zastosowań biomedycznych. Kolejny etap koncentruje się na badaniach bakterii produkujących celulozę oraz grzybni, realizowanych we współpracy z partnerem z Innsbrucka. Wykonana zostanie również charakterystyka strukturalna i biochemiczna uzyskanych materiałów, pozwalająca ocenić ich właściwości funkcjonalne i potencjał aplikacyjny.

Czwarty etap dotyczy oceny potencjału rzęsy wodnej dla systemów produkcji żywności i bioremediacji (naturalnego oczyszczania gleby i wody), a ostatni obejmuje integrację wyników badań, przygotowanie raportu końcowego i publikacji naukowych oraz działania upowszechniające, w tym udział w konferencjach o tematyce systemów kosmicznych, takich jak ICES czy Space Resources Conference.

mic