Главная страница Обратная связь Карта сайта
ОАО «БИОХИММАШ» ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ БИОХИМИИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ  
   

Космическая биотехнология


КОСМИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Начало космической деятельности в ОАО «Биохиммаш» относится к 1996 году на станции «Мир», когда была организована лаборатория космической биотехнологии. На борту станции «Мир» проводились эксперименты с экспонированием клеток высших растений по изучению влияния на них факторов космического полёта и получению улучшенных и новых штаммов – суперпродуцентов перспективных биологически активных веществ на оборудовании «Биоконт».

В чашках петри были посланы каллусные культуры (кусочки из растительных клеток) клеток воробейника краснокорневого и макротомии красящей – продуцентов шиконина, а также культура клеток женьшеня. В опытах с культурой клеток женьшеня веществ, отвечающих за терапевтический эффект женьшеня в биомассе клеток после космического полёта, увеличилось примерно в 1,5 раза.

По результатам двух проведенных космических экспериментов с культурами клеток растений – продуцентов ценных биологически активных веществ – шиконина и женьшеня – может быть сделан вывод о том, что в условиях космического полёта возможно увеличение продуктивной способности клеток.

В ОАО «Биохиммаш» с 1996 года проводятся перспективные исследования в рамках космических программ по изучению влияния факторов космического полёта на свойства микроорганизмов – продуцентов биологически активных веществ. Эти исследования проводились на космической станции «Мир» с помощью научной аппаратуры: Биомагнистат, Биотрек и Биоконт. С вводом в эксплуатацию российского сегмента МКС эксперименты были продолжены с использованием научной аппаратуры «Биоэкология» с одновременной параллельной обработкой получаемых полётных данных на Земле.

В период с 7-й по 16-ю экспедиции на российском сегменте МКС экспонировались укладки Биоэкология. В состав укладок входили пеналы с бактериальными (продуценты биодеградантов ксенобиотиков) и грибными культурами (продуценты стимулятора роста растений). Лётные, наземные и контрольные образцы представляли собой музейные культуры, высеянные на плотную питательную среду в пробирках, и лиофильно высушенных в ампулах.

Для увеличения скорости биодеградаций углеводородов наиболее эффективно применение препаратов на основе нефтеокисялющих микроорганизмов. Имеющиеся на мировом рынке биопрепараты применяются при низкой концентрации углеводородов (менее 1%) или ориентированы на конкретные углеводороды (главным образом, парафины). Российские препараты, как правило, применяются для деградации более высоких концентраций углеводородов (выше 1%), но и они имеют свои ограничения. Большинство отечественных препаратов имеют ограниченный срок хранения (не более месяца при температуре 4-6°С), что не позволяет создавать мобилизационные запасы для ликвидации техногенных катастроф.

В ОАО «Биохиммаш» разработан препарат - биодеградант нефти и нефтепродуктов. Штаммы микроорганизмов, составляющие композицию препарата «Родарт», подверглись воздействию факторов космического полета на космической станции «Мир» в рамках программы по космической биотехнологии РКК «Энергия», что привело к существенному увеличению их нефтеокисляющей способности.

Препарат позволяет снизить уровень загрязнения в различных геоклиматических зонах на 60-94% на 3-5 обработок в течение одного сезона при начальном уровне загрязнения от 60 г/кг и 140 г/кг, соответственно. Препарат применятся в широком геохимическом и климатическом диапазоне свойств почвы: значение pH от 3,5 до 10,5; температура от +5°С до +35°С, влажность - от 3 % и выше и эффективен для старых загрязнений (от 5 лет и выше). Препарат превосходит существующие мировые аналоги,. Как по техническим, так и по экономическим показателям.

Исследуемые бактериальные и грибные культуры а наземных условиях обладают незначительной вариабельностью по макро- и микороморфологическим свойствам и значительной вариабельностью _при изменении состава питательной среды, технологических параметров процессов культивирования, концентрирования, высушивания и хранения. Предыдущими экспериментами на станции «Мир» было доказано, что естественная вариабельность клонов бактериальных культур микроорганизмов может быть усилена факторами космического пространства (микрогравитация, магнитное поле, радиационное излучение), являющимися естественными мутагенами как в условиях космоса, так и в наземных условиях. Это может являться основой выделения штаммов бактериальных микроорганизмов с новыми свойствами. Практически отсутствуют статистически достоверные данные по влиянию длительного воздействия факторов космического пространства на культуры грибных и бактериальных микроорганизмов - продуцентов различных БАВ. В связи с этим, представлял огромный научный и практический интерес использования эндо-микоризных грибов и бактерий - биодеструкторов в качестве биообъектов исследования при проведении КЭ «Биоэкология».

Впервые в мире при проведении эксперимента «Биоэкология» продемонстрирована высокая выживаемость при сохранении основных культурально-морфологических свойств бактериальных и грибных культур в космических условиях на борту PC МКС в течение 37 месяцев. Выделены и изучены новые высокоактивные штаммы микоризных грибов - гормона роста и бактерий - продуцентов препарата для биодеградации нефти и нефтепродуктов. Проведены лабораторные, мелкоделяночные и полевые испытания, которые покали высокую эффективность активности препаратов, полученных на основе летных культур штаммов микоризообразующих грибов и бактерий.

По результатам исследований опубликовано 14 статей.

Наши исследователи приняли активное участие в проведении эксперимента «Асептик» на новой аппаратуре «Главбокс-С» при отработке условий стерилизации перчаточного бокса.

В печати появились сообщения о том, что на российском сегменте МКС начала функционировать новая космическая биолаборатория.

Как сообщили в подмосковном Центре управления полетами, россияне Максим Сураев и Олег Котов впервые провели эксперимент "Асептик" на новой аппаратуре "Главбокс-С».

"Сураев и Котов воспроизвели режим стерилизации бокса", - рассказала ИТАР-ТАСС начальник отдела селекции и культивирования микроорганизмов предприятия "Биохиммаш" Татьяна Крашенинникова, руководитель нескольких биологических и биотехнологических экспериментов на МКС. Собрав аппаратуру, россияне проверили стерильность перчаточного бокса до проведения операции, взяв пробы среды внутренней поверхности и воздуха, затем простерилизовали бокс с помощью ионизатора и ультрафиолетовой лампы и взяли повторные пробы. "Пробы космонавты берут с помощью специальных укладок "Асептик", которые затем помещаются в термостат и проверяются на наличие микроорганизмов", - пояснила Крашенинникова.

Первая сессия эксперимента продлится два дня, а через пять суток экипаж должен повторить все операции, и при положительном результате бокс в дальнейшем может быть использован для других биологических экспериментов. Эксперимент "Асептик" поможет разработать методы и бортовые технические средства обеспечения асептических условий проведения биоэкспериментов в космосе.

Стационарное рабочее место для проведения экспериментов в новом перчаточном боксе оборудовано на модуле "Поиск". Сам бокс представляет собой прозрачную камеру весом 20 килограммов и размерами 90x56x45 см, внутри находятся стерилизатор и бактерицидная лампа. Отверстия на торцевых стенках предназначены для подачи биоматериала и посуды и извлечения полученных биокультур. А через отверстия с герметичными кольцами на боковой стенке космонавты, надев специальные перчатки, будут производить внутри бокса необходимые манипуляции.

"У нас более жесткие требования по технике безопасности, чем у американских коллег", - подчеркнула Крашенинникова. Стерильность и герметичность не только гарантируют чистоту проводимых исследований, но и обеспечивают безопасность экипажа, предотвращая загрязнение атмосферы станции. "Главбокс-С", по ее мнению, может стать первым шагом на пути создания отечественного биолабораторного модуля, где будет налажено лабораторное производство для длительных межпланетных полетов и планетарных станций.

Если ранее нами проводились эксперименты в небольших объёмах с лиофильно высушенными культурами или среде на агаре (пробирки, флаконы), то следующий эксперимент был поставлен на МКС по выращиванию биодеструктура ксенобиотиков на биореакторе закрытого типа «Биоэмульсия» суспензионным методом.

Одним из важнейших направлений космической биотехнологии является получение достаточного количества биоматериала методом суспензионного выращивания в биореакторе различных клеток – продуцентов биологически активных веществ, что особенно актуально в условиях длительных пилотируемых космических полётов. К категории биологически активных веществ относятся разные белки, аминокислоты, сахара, антибиотики, лекарства, пребиотики и пробиотики, ферменты, различные биодеграданты и многие другие вещества, необходимые для жизнедеятельности человека, животных и растений.

В период с 2009 по 2012 годы было проведено 10 космических экспериментов, где на станции МКС-23 поставлен опыт по заправке питательной среды посевным материалом космонавтами на российском сегменте МКС с использованием научной аппаратуры «Биоэмульсия», «Главбокс» и «Асептик». Данные эксперименты продолжили в девяти последующих случаях.

В результате проведения космических экспериментов в период МКС 29- МКС-31 при введении в стадии внесения посевного материала на борту МКС в условиях стерильного бокса концентрация клеток в культуральной жидкости превысила значение этого показателя в наземных условиях при использовании коллекционного производственного штамма в 10 раз. Нефтедеградирующая активность повысилась при этом на 30%.

В результате проведения аналогичного эксперимента в период МКС-32 впервые в мире было успешно осуществлено выращивание грибной культуры в условиях космического пространства и получена лётная грибная культура Mycelium radicie var. ledum штамм НЖ-13, которая выжила, развилась и сохранила свои микро - и макроморфологические характеристики. Была показана принципиальная возможность выращивания грибных культур в космических условиях.

В настоящее время продолжаются исследования устойчивости новых полученных свойств лётной культуры и возможности использования в производстве препарата – биодеграданта нефти, нефтепродуктов и ксенобиотиков «Родарт», а также продолжаются исследовательские работы с полученной грибной культурой.

Одной из наиболее сложных проблем адаптации человека к условиям микрогравитации, включающей существенные изменения некоторых функций и физиологии, являются изменения в метаболизме кальция. В частности, хорошо известно, что у космонавтов в начальный период космического полёта происходит повышенный выход кальция с мочой, приводящий к деминерализации костной ткани.

Целью космического эксперимента является выявление возможной причины гомеостаза кальция в организме, проявляющейся в деминерализации костной ткани. Для обеспечения программы космического эксперимента специалистами НИИСП им. Н.В. Склифосовского изготовлено 20 образцов нативной кортикальной ткани и 20 образцов губчатой ткани. Снаряженные в стерильных условиях 8 пеналов научной аппаратуры «Биоэкология» доставляются на МКС для экспонирования. В течение одного года они попарно возвращаются на Землю для анализа. Текущий контроль состояния костной ткани осуществляется визуально и фотографированием.

Анализ полученных данных позволил выявить две тенденции: кальций сильнее вымывается из губчатой ткани, чем из кортикальной, а физиологический раствор более эффективно вымывает кальций, чем вода.

Во второй серии экспериментов первый дополнительный сеанс необходимо провести с теми же видами ткани, а три дополнительных сеансах - с другими видами костной ткани, выбор которых будет сделан по результатам консультаций с ведущими специалистами лаборатории трансфузиологии, консервации тканей и искусственного питания НИИСП им. Н.В. Склифосовского.

Во всех дополнительных экспериментах наряду с концентрацией кальция будет контролироваться и концентрация фосфора, элиминация которого сопряжена с кальцием.

В 2008 году ведущими специалистами ОАО "Биопрепарат" и ОАО «Биохиммаш» было предложено изучить в специальном КЭ влияние факторов космического полета на активность ферментов, которые в живых организмах в течение всей его жизни осуществляют и регулируют все без исключения метаболические процессы. До настоящего времени изолированные фермент-субстратные системы на МКС и других КА не изучались, по-видимому, потому что изменение их активности в космическом полете в биотехнологических экспериментах и по медицинским показателям явно не проявлялось. При постановке КЭ предполагалось, что условия микрогравитации могут привести к конформационным изменениям архитектоники молекул (как субстрата, так и фермента) с соответствующими изменениями параметров реакций биокатализа. Можно было также предположить изменение условий протекания ферментативных реакций ввиду многообразного действия фоновых ионизирующих излучений.

Так, на Земле, нарушение функции какого-либо органа или ткани, связанное с нарушением нормальной ферментативной активности, выявляется сначала по известным симптомам или в результате обследования. Но здоровье космонавтов всегда было близким к идеальному, как при отборе в отряд космонавтов, так и в ходе подготовке к полёту. Также тщательно ведётся наблюдение за состоянием здоровья космонавтов и в длительной космической экспедиции. С учётом многолетних наблюдений медицинских специалистов можно сделать заключение, что величина изменения активности ферментов, если оно действительно существует, не может быть значительной на уровне целого организма, скорее всего ввиду действия природных адаптационно-компенсаторных механизмов.

Вместе с тем в долговременных полётах на орбитальных станциях и после возвращения, зарегистрированы явления дисгармонии гомеостаза и метаболизма, как у теплокровных организмов, так и у высших растений и микроорганизмов. Причины и механизмы такой дисгармонии пока остаются невыясненными.

В отечественной космонавтике уже давно определилась тенденция к увеличению продолжительности полёта экипажей, вплоть до двух лет, необходимых для экспедиции на Марс. В этих новых условиях могут проявить себя и сравнительно небольшие сдвиги в работе различных органов и тканей организма.

Другой важной проблемой является обеспечение полноценного питания космонавтов при длительных и сверхдлительных космических полётах. Оптимальным признано частичное получение растительных продуктов и продуктов микробиологического синтеза, которые получаются ферментацией органического материала непосредственно на борту КА.

Экспериментальное установление интегрального влияния факторов космического полета на устойчивость и каталитическую активность важнейших ферментов нервной системы млекопитающих позволяло обеспечить
необходимость и способы защиты ферментных систем живых организмов от нежелательных воздействий факторов космического полета;
необходимость и направление разработки тест-систем для оперативного или систематического контроля биохимических показателей космонавтов в условиях длительного космического полета.

СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ (СОЖ)

Система обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) чрезвычайно многогранна при длительных космических полётах. Не останавливаясь на этом, мы всё же приступили к одной из граней процесса СОЖ, а именно к созданию фотобиореактора для культивирования синезелёной водоросли – спирулины, которая может выступать как источник питания космонавтов, а также как производитель кислорода.

Исследователи, работающие в ОАО «Биохиммаш» по космической биотехнологии, принимают участие в подготовке космонавтов к полёту на МКС, проводя занятия в ЦПК (Центре подготовки космонавтов) по каждому биотехнологическому эксперименту. 

КЭ «АСЕПТИК» 

1_kb.jpg


2_kb.jpg 3_kb.jpg

а)                                                                                                                               б)




4_kb.jpg5_kb.jpg


в)                                                                                                                                      г)

КЭ «БИОТРЕК»

6_kb.jpg



КЭ «КАСКАД»

7_kb.jpg

    Версия для печати
  Copyright (c) 2006 ОАО “Биохиммаш” 127299, Москва, ул. К.Цеткин, д. 4,
тел. (499) 159 3170, факс (499) 156 2897
разработка сайтов
и мультимедийных презентаций - БИАТ