Badaczki PWr sprawdzają: czy żywe materiały przetrwają w mikrograwitacji?

Jak żywe materiały i układy biologiczne funkcjonują w kosmosie? Czy mikroalgi lub bakterie przydadzą się w systemach podtrzymywania życia i budowie pozaziemskich habitatów? Badają to naukowcy z Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetu w Innsbrucku i Politechniki w Turynie.

Projekt „Utworzenie stanowiska do symulacji mikrograwitacji w badaniach układów biośrodowiskowych i materiałów typu Engineered Living Materials” otrzymał dofinansowanie w wysokości 435 tys. zł w ramach drugiej edycji prowadzonego na Politechnice Wrocławskiej programu „Wsparcie zespołów badawczych”.

– Inżynieria środowiska ma naturalne zastosowanie w badaniach związanych z tematyką kosmiczną. Niemal każdy jej obszar, czyli oczyszczanie wody i powietrza, gospodarka odpadami czy obieg składników odżywczych, znajduje swoje odzwierciedlenie w kosmicznych systemach podtrzymywania życia, które muszą zamykać te same obiegi w skali mikro i bez dostępu do zasobów Ziemi – wyjaśnia kierująca badaniami dr inż. Anna Jurga z Katedry Biologii Środowiskowej i Ochrony Atmosfery PWr.

Wspólnie z naukowczyniami z Wydziału Chemicznego i Medycznego dr inż. Jurga stworzy stanowisko badawcze, które pomoże odpowiedzieć na pytanie, czy układy biologiczne badane dotychczas w warunkach ziemskich zachowają swoją funkcjonalność w warunkach mikrograwitacji.

Symulowana mikrograwitacja w laboratorium

Trzonem stanowiska będzie urządzenie Random Positioning Machine (RPM), czyli trójosiowy klinostat symulujący mikrograwitację poprzez losową zmianę orientacji próbki względem wektora grawitacji. Obsługuje ono tryby w zakresie od ok. 10-3 g do 0,9 g, co obejmuje warunki odpowiadające grawitacji Księżyca oraz Marsa. Ma także zintegrowane interfejsy zasilania i komunikacji oraz może pracować w inkubatorach z kontrolą temperatury i wilgotności. Stanowisko uzupełni inkubator z wytrząsaniem do przygotowania i prowadzenia hodowli mikroorganizmów zarówno przed eksperymentami w RPM, jak i w warunkach referencyjnych 1 g.

Stanowisko posłuży do badania, jak symulowana mikrograwitacja wpływa na mikroalgi, rzęsę wodną, bakterie produkujące celulozę i grzyby jako potencjalne elementy rozwiązań ważnych dla inżynierii środowiska i systemów podtrzymywania życia, takich jak oczyszczanie wody i powietrza, produkcja tlenu, wychwyt CO₂, obieg składników odżywczych oraz wykorzystanie biomasy.

– Wybór tych czterech układów biologicznych wynika z tego, że każdy z nich wnosi inną, komplementarną funkcję istotną dla systemów bioregeneracyjnych i biofabrykacji materiałów. Mikroalgi oraz rzęsa wodna to organizmy fotosyntetyzujące, które produkują tlen, wychwytują CO₂ oraz pobierają azot i fosfor, przyczyniając się do oczyszczania wody, a przy tym wytwarzają biomasę o wysokiej wartości odżywczej. Celuloza bakteryjna może pełnić funkcję strukturalną, tworząc matrycę dla materiałów typu Engineered Living Materials (ELM), natomiast grzybnia umożliwia tworzenie funkcjonalnych kompozytów materiałowych, a grzyby uczestniczą w degradacji zanieczyszczeń – tłumaczy dr inż. Anna Jurga.

Mikroalgi osadzone w matrycy hydrożelowej mogą tworzyć aktywne, oddychające panele produkujące tlen. Celuloza bakteryjna może posłużyć jako biodegradowalny szkielet konstrukcyjny. Grzybnia może stanowić bazę dla kompozytów o właściwościach filtracyjnych czy architektonicznych. Testowanie tych materiałów w warunkach symulowanej mikrograwitacji pozwoli sprawdzić, czy zachowują swoją funkcjonalność w środowisku kosmicznym, co otwiera drogę do zastosowań w habitatach, systemach oczyszczania wody i powietrza czy nawet w materiałach o zastosowaniu biomedycznym.

Synergia wielu dyscyplin naukowych

Projekt obejmie projektowanie i wytwarzanie innowacyjnych układów zawierających żywe mikroalgi – zajmą się tym dr inż. Daria Podstawczyk, dr inż. Anna Bastrzyk oraz dr inż. Anna Dawiec-Liśniewska z Wydziału Chemicznego PWr. Zakres ich prac obejmie syntezę i charakterystykę nowych materiałów hydrożelowych do druku 3D/4D, opracowanie efektywnej metody immobilizacji mikroalg oraz analizę aktywności fotosyntetycznej żywych materiałów ELM. Ważnym elementem badań jest również analiza procesów transportu masy w wytworzonych materiałach hydrożelowych, ze szczególnym uwzględnieniem dyfuzji tlenu.

Z kolei dr inż. Iwona Hołowacz, prof. uczelni z Wydziału Medycznego, będzie odpowiedzialna za zaawansowane obrazowanie struktur biologicznych i biomateriałów. W projekcie wykorzystywane będą m.in. mikroskopia konfokalna, mikroskopia holotomograficzna, optyczna koherentna tomografia oraz metody spektroskopowe, które pozwolą ocenić mikrostrukturę, porowatość i żywotność komórek w badanych układach.

W prace zaangażowana będzie również dr inż. arch. Monika Brandić Lipińska z Uniwersytetu w Innsbrucku (UIBK), absolwentka PWr, reprezentująca zespół Integrative Design/Extremes prof. Barbary Imhof. Drugim partnerem zagranicznym jest należąca do sieci Unite! Politechnika w Turynie (PoliTo), reprezentowana przez dr. Ignazio Roppolo.

Zespół uzupełnią doktorantki i studentki PWr.

5 etapów, 15 miesięcy

Jak informuje uczelnia, badania rozpoczną się w październiku br. i potrwają do końca 2027 r. Zostały podzielone na pięć etapów, obejmujących m.in. zakup i instalację urządzenia RPM oraz sond pomiarowych, przygotowanie stanowiska badawczego i procedur eksperymentalnych, a także badania mikroalg oraz materiałów ELM zawierających mikroalgi, które będą wykonywane we współpracy z partnerem z Turynu.

Równolegle prowadzona będzie zaawansowana charakterystyka obrazowa otrzymanych materiałów oraz analiza biochemiczna biomasy w celu oceny obecności związków bioaktywnych i potencjalnych zastosowań biomedycznych.

Kolejny etap koncentruje się na badaniach bakterii produkujących celulozę oraz grzybni, realizowanych we współpracy z partnerem z Innsbrucka. Wykonana zostanie również charakterystyka strukturalna i biochemiczna uzyskanych materiałów, pozwalająca ocenić ich właściwości funkcjonalne i potencjał aplikacyjny.

Czwarty etap dotyczy oceny potencjału rzęsy wodnej dla systemów produkcji żywności i bioremediacji (naturalnego oczyszczania gleby i wody), a ostatni obejmuje integrację wyników badań, przygotowanie raportu końcowego i publikacji naukowych oraz działania upowszechniające, w tym udział w konferencjach o tematyce systemów kosmicznych, takich jak ICES czy Space Resources Conference.

Źródło: Politechnika Wrocławska

Czytaj także: Nowa technologia pomoże oczyścić najbardziej zasolone wody przemysłowe