IGEMINI: Kvasovke kot prehransko dopolnilo v vesolju

iGEMINI je projekt v okviru tekmovanja iGEM, ki ga je leta 2020 pripravila ekipa dodiplomskih študentov iz Toulouse v Franciji.

Spletna stran projekta iGEMINI: https://2020.igem.org/Team:Toulouse_INSA-UPS

Avtorica povzetka: Klementina Polanec

Problem

Astronavti so v vesolju izpostavljeni ekstremnemu okolju, ki lahko ima škodljiv vpliv na njihovo zdravje. Večja izpostavljenost sevanju, višje koncentracije CO₂ in mikrogravitacija kratkoročno vplivajo na počutje, dolgoročno gledano pa lahko astronavti začnejo izgubljati mišično maso in kosti, imajo povečano tveganje za kardiovaskularne težave in oslabljeno delovanje imunskega sistema. Uravnotežena prehrana bogata s hranili je za astronavte ključna, saj lahko zmanjša negativne vplive okolja na zdravje [1]. Pomemben del uravnotežene prehrane so vitamini, med katerimi je 13 esencialnih in se priporoča njihovo vsakodnevno uživanje [2].

Trenutno si astronavti na mednarodni vesoljski postaji hrane ne pripravljajo sami, temveč vsakih nekaj mesecev dobijo z Zemlje pošiljko sveže ter dehidrirane in konzervirane hrane [3]. Prvi problem vnaprej pripravljene hrane je, da se med samo pripravo razgradijo številni esencialni vitamini, predvsem manj odporni (vitamin A oziroma retinol, vitamin C, folat in tiamin) [4]. Drug in še večji problem pa je, da se konzervirana hrana shranjuje tudi po več mesecev in daljši čas shrambe pomeni več razgrajenih vitaminov [5]. Tako je na primer razgradnja retinola v odvisnosti od časa eksponentna in po 6 mesecih shrambe se ga razgradi kar 44 % [5, 6].

Zaradi opisanih problemov je v vesolju težje poskrbeti za prehrano dovolj bogato z vitamini, prav tako pa so daljša potovanja po vesolju zaenkrat nemogoča [1,2].

Rešitev: projekt iGEMINI

Ekipa iz Toulouse si je zamislila kokulturo, ki bi jo astronavti lahko gojili na raketi in z njo pridobivali prehranska dopolnila. Ekipa se je odločila za pridobivanje β-karotena (provitamin A), saj je vitamin A eden najmanj stabilnih vitaminov [5], prav tako pa ima pomembno vlogo pri celični diferenciaciji in vidu [7]. Prehransko dopolnilo bi lahko astronavti prilagodili svojemu okusu in s pomočjo optogenetske regulacije izbirali med 3 okusi: naraven okus kvasovke, limona ali sladka vrtnica [6].

Osnove o kokulturi

Kokulturo bi sestavljali kvasovka Saccharomyces cerevisiae in bakterija Clostridium ljungdahlii. Kokulturo so zasnovali na tak način, da bi kot vir ogljika in dušika uporabljala odpadke, ki nastanejo pri recikliranju organskih snovi na raketi. Vir ogljika bi predstavljal CO₂ iz zraka, vir dušika pa organske molekule iz urina [6].

Saccharomyces cerevisiae

Kvasovko bi gensko spremenili, tako da bi lahko proizvajala β-karoten, dodali pa bi ji tudi optogenetske elemente, preko katerih bi s spremembo svetlobe spremenili njen okus [6]. Ker je kvasovka splošno prepoznana kot varna, prav tako pa že sama po sebi proizvaja tudi vitamine B in druga hranila [8], bi jo astronavti lahko uživali kot prehransko dopolnilo [6]. To je že ustaljena praksa na Zemlji [9].

Clostridium ljungdahlii

Ker je kvasovka heterotrofna, ni zmožna uporabljati odpadnega CO₂ kot vir ogljika [10]. Ekipa se je zato odločila za kokulturo z bakterijo C. ljungdahlii, ki lahko raste tudi avtotrofno, pri čemer reducira CO₂ do organskih spojin, kot vir elektronov pri pretvorbi pa uporablja H₂ (prav tako odpadek na raketi) [11]. Bakterija lahko torej na osnovi odpadnih virov proizvede etanol in acetat, ki kvasovki predstavljata vir ogljika [6].

3 moduli sistema

Modul 1: sinteza hranil in okusa

Prvi modul sestavljajo biokocke:

Koda	Opis biokocke
BBa_K3570002	Konstitutivna sinteza β-karotena v kvasovki.
BBa_K3570000	Konstitutivna povečana sinteza geranilgeranil pirofosfata v kvasovki.
BBa_K3570001	Kvasovki da okus po sladki vrtnici.
BBa_K3570003	Kvasovki da okus po limoni.