Ein winziges Stück des ländlichen Bundesstaates Washington – und einige seiner „Bewohner“ – sind am Donnerstag, dem 14. Juli, vom Kennedy Space Center in Florida in den Weltraum geschossen.
Die Bewohner sind Bakterien, die im Boden in Prosser, Washington, leben. Wissenschaftler werden untersuchen, was die Bakterien in einer Mikrogravitationsumgebung tun, um mehr darüber zu erfahren, wie mikrobiologische Gemeinschaften im Boden im Weltraum funktionieren. Das brauchen Informationswissenschaftler, um Nahrung entweder im Weltraum oder auf einem anderen Himmelskörper anzubauen.
Das von der NASA finanzierte Experiment heißt DynaMoS oder Dynamics of Microbiomes in Space. Die Studie wird von Forschern des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums durchgeführt.
Die Gemeinschaft der Bodenmikroben, die auf die Internationale Raumstation zusteuert, besteht aus acht Bakterienarten, die PNNL-Wissenschaftler von einem wissenschaftlichen Feld in Prosser isoliert haben, das von der Washington State University betrieben wird. Die Mikroben werden Teil der Nutzlast der NASA-Nachschubmission SpaceX CRS-25 sein.
Pflanzen im Weltraum?
PNNL-Wissenschaftler werden untersuchen, wie sich die Mikroben im Weltraum im Vergleich zu ihrem Verhalten auf der Erde verhalten. Warum gedeihen einige Arten unter bestimmten Bedingungen und kämpfen unter anderen? Wer braucht welche Partner, um erfolgreich zu sein, und wer könnte entbehrlich sein? Werden Mikroben im Weltraum so funktionieren wie auf der Erde, um uns dabei zu helfen, Nahrung anzubauen und Kohlenstoff und andere Nährstoffe zu zirkulieren?
„Wir müssen noch viel darüber lernen, wie sich Mikroorganismen auf der Erde verhalten“, sagte Janet Jansson, leitende Wissenschaftlerin und Labormitarbeiterin bei PNNL und Leiterin von DynaMoS. „Noch mehr Fragen stellen sich, wenn wir Nahrung im All züchten, zum Beispiel auf der Mondoberfläche oder für eine lang andauernde Mission zum Mars. Wie verhalten sich zum Beispiel Mikroben in der Mikrogravitation?“
Jansson, Ryan McClure und andere PNNL-Wissenschaftler haben mehrere Jahre damit verbracht, zu untersuchen, wie sich Gemeinschaften von Mikroorganismen im Boden auf der Erde verhalten.
„Pflanzen brauchen nützliche Bodenmikroben, die ihnen beim Wachstum helfen. Mikroben können Nährstoffe liefern und Pflanzen vor Dürre, Krankheitserregern und anderen Arten von Stress schützen“, sagte McClure. „Zu verstehen, wie Mikroben dabei interagieren, ist der erste Schritt zum Aufbau von Mikrobengemeinschaften, die das Pflanzenwachstum an Orten wie dem Mond, dem Mars oder der Raumstation unterstützen können.“
Zu Hause, sogar im Weltall
Das Experiment stützt sich auf einige der schicksten verfügbaren Technologien, um etwas so Alltägliches wie Erde zu untersuchen. Nur eine Tasse Erde enthält normalerweise Tausende verschiedener mikrobieller Arten – viel zu viele, um sie auf einmal zu verstehen. Aus seinen Studien in Prosser hat das PNNL-Team eine natürlich interagierende Gemeinschaft von acht Arten entwickelt, die für die Weltraummission verwendet werden.
Die Bakterien wachsen in ihrer häuslichen Umgebung, Erde, die von Prosser gesammelt wurde. Einige Tage vor dem Start werden die Wissenschaftler den Boden mit den acht Bakterien impfen: Dyadobacter, Ensifer, Neorhizobium, Rhodococcus, Sinorhizobium, SPhingopyxis, Streptomyces und Variovorax.
Der Boden wird Chitin enthalten, ein verbreitetes Mikrobenfutter, das weltweit im Boden vorkommt. Die Fähigkeit, Chitin oder Nebenprodukte zu essen, die von anderen Arten abgegeben werden, wenn sie Chitin abbauen, ist der Schlüssel zum Überleben der mikrobiellen Gemeinschaft.
„Das heimische Bodenmikrobiom ist sehr komplex, mit Tausenden von Arten und Millionen von Wechselwirkungen. Deshalb haben wir uns entschieden, uns zunächst auf acht Arten aus einer natürlich entwickelten Gemeinschaft zu konzentrieren, um sie zu untersuchen“, sagte McClure, der die Gruppierung als „reduzierte Komplexität“ bezeichnet Gemeinschaft.
Das Experiment umfasst 104 Reagenzgläser, die den Boden und ausgewählte Mikroben enthalten. Die Hälfte wird zur Raumstation geschickt, die andere Hälfte wird unter ähnlichen Bedingungen – mit Ausnahme von Schwerkraft und Atmosphäre – in einem Labor im Kennedy Space Center in Florida wachsen.
Jedes Röhrchen enthält 20 Gramm Erde, die mit Chitin und Hunderten Millionen von jedem der acht Bakterien gefüllt ist. Die Röhrchen werden über einen Zeitraum von 12 Wochen zu vier verschiedenen Zeitpunkten beprobt. Dann werden die Weltraumproben zum Kennedy Space Center zurückgebracht, und alle Proben und Mikroben werden zur intensiven Analyse per Kühllastwagen von Kennedy zum PNNL gefahren.
Zurück auf festem Boden
Die Wissenschaftler werden die Anzahl jeder Art sowie ihre Proteine, andere molekulare Botenstoffe, die als Transkripte bekannt sind, und Nebenprodukte, die Metaboliten genannt werden, messen. Messungen werden zeigen, wer am häufigsten vorkommt, wer selten ist und was noch wichtiger ist, was jeder tut und wie sie interagieren. Die Messungen werden am EMSL, dem Environmental Molecular Sciences Laboratory, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science bei PNNL, durchgeführt.
„Wir müssen verstehen, wer mit wem gut spielt, wer nie mit wem zusammen sein will und so weiter. Es braucht ein Dorf von Mikroben, um eine blühende Gemeinschaft zu schaffen und die Pflanzenproduktion zu verbessern. Das gilt für die landwirtschaftliche Produktion überall, ob im Weltraum oder auf der Erde“, sagte Jansson, der Mitglied eines Gremiums von Biologen ist, die an der Dekadischen Umfrage zur biologischen und physikalischen Wissenschaftsforschung im Weltraum 2023-2032 teilnehmen.
Ein Großteil der Grundlagen für die Bodenmission wurde durch gelegt eine Studie des Bodenmikrobioms von PNNL-Wissenschaftlern, die vom DOE finanziert wurde.
Weitere Experimente an Bord werden sich mit Wundheilung, Immunzellen, Biosensoren, Beton und Erdstaub befassen.