Biostimulant za rast rastlin na Luni – BioMoon
BioMoon: a microbial biostimulant to grow plants on the Moon [1] je projekt študentske ekipe Toulouse-INSA-UPS iz Francije, ki je na tekmovanju iGEM osvojila zlato medaljo in nagrado za najboljši vesoljski projekt. Poleg tega je bil njihov sestavljeni del označen kot najboljši.
Motivacija in uvod Človeštvo že dolgo usmerja svoj pogled proti Luni in se sprašuje, kaj je tam gori. Raziskovanje se je začelo leta 1959, ko so Sovjeti izstrelili sondo Luna 2. Pičlih deset let kasneje so na Luni pristali Američani in Neil Armstrong je kot prvi človek stopil na naš naravni satelit. "To je manjhen korak za človeka, velik skok za človeštvo," je pri tem dejal. Vse odtlej se krešejo ideje o dolgotrajnem bivanju na Mesecu. Ključno prepreko pri tem predstavlja nezmožnost zagotavljanja hrane na finančno vzdržen način. Transport je drag, Lunin matriks pa neustrezen za rast rastlin. Lunino površje prekriva regolit, nesprijeti kamninski drobci, ki so nastali zaradi padcev meteoritov [2]. Čeprav vsebuje mnoge makro in mikronutriente, kot so fosfor, kalij, kalcij, magnezij, mangan in baker, za rast rastlin manjkata ogljik in dušik. Prvega je sicer v obliki CO_2 možno dobiti iz izdihanega zraka astronavtov, slednji pa v obliki nitratov ni prisoten v regolitu. Cilj Da bi zagotovili ogljik in kisik za rast rastlin, se je francoska ekipa ozrla v neizkoriščen odpad: urin astronavtov se sicer z uporabo sofisticiranih naprav v dobri meri reciklira za pridobitev vode, a ena komponenta ostane neizrabljena. To je kreatinin. Kreatinin je organska molekula, ki vsebuje tako ogljik kot dušikove skupine. Kot taka je izvrstna izbira za gnojenje lunarnega pridelka. Problem pa je, da ga rastlina ne more uporabiti v biosinteznih poteh. Rešitev je biostimulant BioMoon, ki kreatinin razgradi na surovine, primerne za rastline. Delovanje Pseudomonas fluorescens Pseudomonas fluorescens je aerobna po Gramu negativna rizobakterija, ki spodbuja rast rastlin. Fosfate pretvarja v topno obliko, kar rastlini olajša privzem, izloča fitohormone, ki spodbujajo razvoj korenin, kelira železove ione in s tvorbo biofilma zadržuje vodo in tako ohranja humidno vlažnost (kakor kulturne terase na Zemlji). Metabolizem kreatinina Z razgradnjo kreatina se pri zdravem odraslem človeku v urin izloča kreatinin s hitrostjo 1 g/24 h. Reciklažne tehnologije na Mednarodni vesoljski postaji ga zaenkrat še ne reciklirajo, zato konča kot odpad v "urinski slanici". Čeprav nekatere bakterije iz rodu Pseudomonas lahko živé zgolj od kreatinina kot vira dušika in kisika, vrsta P. fluorescens ni med njimi, zato je treba dodati ustrezne encime. Kreatinin amidohidrolaza (gen crnA) povrne kreatinin nazaj v kreatin, nato pa ga kreatinaza (gen creA) pretvori v sarkozin, pri čemer je stranski produkt urea. Gena so združili pod promotorjem Pm, ki se ga inducira z m-toluensko kislino. Vsak insert ima svoj RBS, na koncu pa je skupni terminator. Za sestavljanje so uporabili In-Fusion Assembly. V originalu so sicer dodali še gen soxA pod promotorjem Ptet, a se je kasneje izkazalo, da pretvorba sarkozina v glicin ni potrebna.¬ Računalniški model je namreč napovedal, da P. fluorescens lahko raste na sarkozinu, kar je kasneje potrdil tudi eksperiment. Odziv na stres Ker zgoraj omenjena pot proizvaja H2O2 kot stranski produkt, je celica izpostavljena višjemu stresu. Kot rešitev so avtorji predlagali povišanje izražanja vodikove peroksidaze, zapisane z genom katB, in šaperona Hfq. Zaradi časovnih omejitev pa bo treba eksperiment še izvesti, da bi videli, ali to pomaga. Biofilm Čeprav je regolit sestavljen iz prašnih delcev, ni dovolj porozen za zadrževanje vode. Ob stiku z vodo se namreč močno strdi, s čimer je pronicanje v globino preprečeno. Skupina je kot rešitev predlagala odlično lastnost omenjene bakterije: tvorbo biofilma. Z uravnavanjem genov, pomembnih za tvorbo, rast in disociacijo biofilma, bodo v prihodnih letih dosegli optimalno zadrževanje vode. Eksperiment Za modelno rastlino so uporabili Arabidopsis thaliana, saj raste dovolj hitro za izvedbo poskusov v doglednem času. Ta trava ima 6-tedenski življenjski cikel in je dobro okarakterizirana. Pri vsakih pogojih so posadili 12 primerkov rastlin. (Posadili, ker so prešteli semena in jih ročno vtikali v zemljo, op. p.) Semenom so odstranili morebitne prisotne mikroorganizme z etanolom, belilom in vodo. Poskus je potekal v zaprtem prostoru pri temperaturi med 21 in 23 °C, kontrolirani vlagi 55 –70 % in časovno pogojeni svetlobi. Svetilo sicer ni imelo razpršilnika, je pa bilo obešeno en meter nad ploščami, tako da je bila osvetljenost dovolj enakomerna. Merjenje Za merjenje rasti rastlin so uporabili kamero in programsko opremo ImageJ, s katero so pridobili podatke o barvi in površini listov posameznih rastlin. Tu je treba dodati, da niso merili površine listov per se, ampak pravokotno projekcijo površine listov na ravnino, določeno s senzorjem v kameri! To pomeni, da če je bil listek zvit, je bila izmerjena pov
