Поскольку полет к Марсу может занять около 200 дней, а многие лекарства в условиях космоса теряют свойства быстрее, чем на Земле, регулярное пополнение запасов становится практически невозможным. Одним из перспективных решений этой проблемы считается так называемое молекулярное фермерство — использование растений в качестве «биофабрик» для производства лекарств.
Растения уже успешно выращивают на Международной космической станции. Они помогают очищать воздух, перерабатывать воду и даже поддерживают психологическое состояние космонавтов. Проблемой, однако, оставалась сложная очистка получаемых препаратов, которая требует значительных ресурсов и оборудования.
Авторы исследования, опубликованного в журнале npj Science of Plants, сосредоточились на вирусе мозаики вигны (Cowpea Mosaic Virus, CPMV). Несмотря на название, этот растительный вирус безопасен для человека и не может размножаться в клетках млекопитающих. При этом он обладает мощными иммуномодулирующими свойствами и рассматривается как основа для противоопухолевых препаратов, вакцин и других биомедицинских технологий. В экспериментах на животных и даже у собак с онкологическим заболеванием такие вирусные частицы уже демонстрировали способность стимулировать иммунную систему к борьбе с опухолями.
Обычно для извлечения подобных биологических продуктов приходится буквально измельчать растения. Это приводит к появлению большого количества примесей, которые затем необходимо удалять на нескольких этапах очистки. Ученые предложили иной подход, использовав пространство между клетками растения — так называемый апопласт. Листья погружали в специальный раствор и создавали вакуум, позволяя жидкости проникать внутрь тканей. Затем листья помещали в центрифугу, которая позволяла собрать обратно раствор вместе с вирусными частицами. Сами растения при этом не погибали.
Анализ показал, что вирус действительно накапливается в апопласте в виде полностью сформированных частиц. Более того, такой способ извлечения оказался примерно в 200 раз чище по сравнению с традиционным измельчением листьев, поскольку в образец почти не попадали клеточные белки растения. Сохранность и целостность структуры наночастиц подтвердили с помощью электронной микроскопии.
Затем исследователи проверили, сможет ли технология работать в условиях, близких к космическим. Для имитации микрогравитации использовали специальную установку, постоянно меняющую ориентацию растений в пространстве. Дополнительно смоделировали и воздействие активных форм кислорода, возникающих под действием космической радиации, а также температурные колебания.форм кислорода, возникающих под действием космической радиации, а также температурные колебания.
Выяснилось, что микрогравитация заметно меняет форму растений: они становятся более компактными и приобретают почти шарообразный вид. Такой эффект может оказаться полезным для космических теплиц, где каждый сантиметр пространства имеет значение.
Неожиданно, но некоторые стрессовые факторы улучшили производство вирусных частиц. В частности, длительное воздействие активных форм кислорода приводило к росту выхода вируса, тогда как кратковременное воздействие, напротив, снижало его. Двояким фактором оказалась и повышенная температура: общее количество вирусных частиц в тканях снижалось, но в апопласте его становилось больше. Число примесей при этом сокращалось примерно на 80 процентов. Значит, определенные космические условия могут не мешать производству лекарств, а наоборот, делать его эффективнее.
Интересно, что процесс можно масштабировать. После дополнительной очистки путем ультрафильтрации удалось получить препараты с чистотой более 99 процентов, что соответствует требованиям для медицинского применения. Технология позволяет многократно использовать одни и те же растения.
Подход может стать основной для автономного производства биологических препаратов во время дальних космических экспедиций. Его потенциальная польза не ограничивается космосом: упрощенная технология может быть востребованной и на Земле, например в удаленных регионах и зонах стихийных бедствий.