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.

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 v biokocko 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. Dodatni problem tega strdka je, da se korenine ne morejo ustrezno razrasti. 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 površina manjša od dejanske.

Rezultati

Divji tip bakterije P. fluorescens ni zmožen rasti na 56 mM sarkozinu kot edinem viru dušika in ogljika, medtem ko je sintezni sev rastel s hitrostjo 0,16 h^-1 v najstrmejšem delu krivulje, pri čemer je porabljal 5,2 mmol/h na gram suhe mase. Glede na prosto dostopne računalniške modele, ki so jih uporabili, naj bi hitrost lahko dosegla 1,2 h^-1, česar pa v laboratoriju niso dosegli. Privzem kreatinina je bil sicer zelo visok, vendar vstopajo po njihovih predvidevanjih vmesni intermediati še v druge, stranske reakcije, kar bodo analizirali v prihodnosti.

Rastlina A. thaliana na regolitu raste počasneje, listi so manjši in rjavkasti zaradi pomanjkanja hranil v primerjavi s prstjo za flancanje. Če so dodali divji tip bakterije P. fluorescens, so listi rastlin ostali zdravi dlje časa (po 8 dneh je bil delež zdravih listov dvakrat večji). (Grafi sicer kažejo manjšo razliko.) Dodatek mutiranega tipa ni kazal očitnih sprememb napram divjemu tipu.

Za snovanje eksperimenta so uporabili tudi metabolno modeliranje po principu metabolnega modela na genomski skali (ang. Genome-Scale Metabolic Model, GSMM). Uporabili so že objavljene parametre za bakterijo P. fluorescens, nato pa simulirali delovanje organizma pri različnih pogojih. Na ta način so videli odziv bakterijske rasti v odvisnosti od hitrosti privzema posameznih substratov. Pri tem so predpostavili ravnovesno stanje, v naslednji stopni pa simulirali različne hitrosti v različnih delih biosintezne poti.

Zaključek

Projekt BioMoon je zadeval optimizacijo Pseudomonas fluorescens kot biostimulanta za rast rastlin v slabih prsteh, kot je denimo regolit na Luni. Cilj je bil izdelati sev, ki bo izkoristil kreatinin, saj je ta v dosedanjih vesoljskih projektih še neizrabljen. V ta namen so vnesli kreatinsko biosintezno pot. Z enostavnim, a dovolj naprednim sistemom so analizirali rastline pri različnih prstenih pogojih. Predlagali so načine za zmanjševanje oksidativnega stresa in nasploh boljšo odpornost rastlin in bakterij na nerodovitne pogoje.

S projektom BioMoon je francoska ekipa Toulouse-INSA-UPS tlakovala pot nadaljnjim vesoljskim raziskavam za izboljšanje pridelka na nerodovitnih tleh.

Viri in literatura

[1] https://2024.igem.wiki/toulouse-insa-ups

[2] Geološki terminološki slovar, <www.fran.si>, dostop 5. 5. 2025.