La ciencia y la tecnología vegetales y microbianas como piedras angulares de los sistemas bioregenerativos de soporte vital en el espacio

Jul 29, 2023

npj Microgravity volumen 9, número de artículo: 69 (2023) Citar este artículo

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Las misiones tripuladas de exploración espacial a largo plazo requieren control ambiental y sistemas de soporte vital (LSS) cerrados capaces de producir y reciclar recursos, satisfaciendo así todas las necesidades metabólicas esenciales para la supervivencia humana en entornos espaciales hostiles, tanto durante los viajes como en las estaciones orbitales/planetarias. Esto será cada vez más necesario a medida que las misiones se alejen más de la Tierra, lo que limitará la viabilidad técnica y económica de reabastecer recursos desde la Tierra. Se necesita una mayor incorporación de elementos biológicos en LSS de última generación (principalmente abióticos), que conduzcan a LSS bioregenerativos (BLSS), para obtener soluciones adicionales de recuperación de recursos, producción de alimentos y tratamiento de desechos, y para permitir misiones más autosostenibles. a la Luna y Marte. Existe todo un conjunto de funciones cruciales para sostener la presencia humana en la órbita terrestre baja (LEO) y su asentamiento exitoso en la Luna o Marte, como el control ambiental, la regeneración del aire, la gestión de residuos, el suministro de agua, la producción de alimentos, la presurización de la cabina/hábitat y la protección radiológica. , suministro de energía y medios de transporte, comunicación y recreación. En este documento, nos centramos en la producción de aire, agua y alimentos, y en la gestión de residuos, y abordamos algunos aspectos de la protección radiológica y la recreación. Discutimos brevemente el conocimiento existente, resaltamos las brechas abiertas y proponemos posibles experimentos futuros a corto, mediano y largo plazo para lograr los objetivos de la exploración espacial tripulada que también conduzca a posibles beneficios en la Tierra.

El concepto de Sistemas de Soporte Vital Bioregenerativo (BLSS), también llamados Sistemas de Soporte Vital Ecológico Cerrado (o Controlado) (CELSS), ha sido explorado desde el comienzo de la era de la exploración espacial humana en la década de 19601. Un BLSS de circuito cerrado y semicerrado se basa en el concepto de redes ecológicas donde varios niveles de conexiones tróficas garantizan el ciclo de la biomasa en las redes alimentarias. Por lo tanto, un BLSS está formado por varios compartimentos interconectados basados ​​en organismos cuyos desechos representan los recursos vitales para los otros compartimentos (Fig. 1). Estos sistemas comprenden tres tipos principales de compartimentos: 'productores' biológicos (por ejemplo, plantas, microalgas, bacterias fotosintéticas), 'consumidores' (es decir, tripulación) y 'degradadores y recicladores' de desechos (por ejemplo, bacterias fermentativas y nitrificantes). A lo largo de los años se han propuesto varios elementos biológicos alternativos2. Por ejemplo, se ha propuesto que los compartimentos animales (p. ej., con insectos, peces) proporcionen proteínas adicionales3. Varios demostradores terrestres a gran escala han probado BLSS de circuito cerrado con humanos en el circuito, como BIOS-1, 2, 3 y 3 M en Rusia, Biosphere 2 en EE. UU., Closed Ecology Experiment Facility (CEEF) en Japón y Lunar Palace 1 en China. Otras instalaciones en la Antártida han probado funciones BLSS independientes, como el reciclaje de aguas grises en la estación Concordia o la producción de alimentos dentro de la instalación móvil de pruebas EDEN ISS (Estación Espacial Internacional) en la Estación Neumayer III. Además, dentro del Proyecto de prueba del sistema de soporte vital Lunar-Marte de la NASA, una cámara de crecimiento contribuyó a la revitalización del aire y a las necesidades alimentarias de una tripulación de cuatro personas durante 91 días4. Otras instalaciones han permitido realizar misiones analógicas probando compartimentos o partes de ellos con diversos niveles de complejidad, como MARS500 y SIRIUS en Rusia, HERA y LMLSTP en JSC de la NASA, Biomass Production Chamber del KSC, MDRS en Utah y HI-SEAS en Hawaii, EE.UU.4, 5,6. Estos demostradores terrestres se han utilizado para probar tecnologías específicas para cámaras de cultivo controladas, sistemas de producción de alimentos y gestión de residuos biológicos. Algunas de estas instalaciones de prueba también se han utilizado para evaluar el impacto del confinamiento en tripulaciones aisladas en términos de cuestiones fisiológicas y psicológicas, así como para evaluar el posible efecto de mitigación de la presencia de plantas (por ejemplo, acceso a alimentos frescos, jardinería para recreación)7,8.

La atención se centra en la regeneración de recursos y los compartimentos interconectados basados ​​en los desechos de organismos de cada compartimento que representan insumos para los otros compartimentos.

Las agencias espaciales internacionales han desarrollado con éxito sistemas regenerativos para la recuperación y purificación del aire y el agua para sus tripulaciones, durante misiones en órbita terrestre baja (LEO) (por ejemplo, en el transbordador espacial, la Soyuz y la Salyut, la ISS y la espacial china). estaciones). Actualmente, desde una perspectiva europea, la Agencia Espacial Europea (ESA) no tiene su propia instalación de pruebas terrestres BLSS integrada capaz de albergar una tripulación humana y todavía depende de otros socios internacionales y proyectos de colaboración (por ejemplo, pruebas de sistemas de purificación de agua en Concordia en la Antártida). Sin embargo, durante las últimas tres décadas, los países contribuyentes han invertido a través de la ESA en el Programa Alternativo de Sistemas Microecológicos de Soporte de Vida (MELiSSA), que condujo, entre otros, a la construcción de una planta piloto de MELiSSA en España (MPP) y una unidad de caracterización de plantas. en Italia (PaCMan)9. Ambas instalaciones tienen como objetivo diseñar y probar un sistema de circuito cerrado que proporcione oxígeno, agua potable y alimentos frescos, mediante el reciclaje de desechos orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, el MPP es un demostrador terrestre de múltiples compartimentos del bucle MELiSSA y su conexión, mientras que PaCMan se centra en experimentos biológicos fundamentales en plantas en una cámara cerrada.

Hasta la fecha, ya se han probado biorreactores o componentes de cultivo de plantas de BLSS en LEO, a bordo de FOTON y la Estación Espacial Internacional (ISS), como prueba de concepto10,11, lo que demuestra que es viable operar un biorreactor o cultivar plantas en LEO. Sin embargo, estas pruebas generalmente se realizaron en sistemas biológicos individuales en pequeñas escalas (es decir, menos de 100 ml o 0,2 m²), con un rendimiento general bajo, durante duraciones cortas y con una importante actividad de la tripulación involucrada. Los futuros compartimentos BLSS que apoyan al compartimento de “consumidores/astronautas” deberán ampliarse y optimizarse para lograr eficiencia, robustez, autonomía, control remoto e integración en hábitats complejos. La integración completa de todos los compartimentos en las instalaciones de demostración en tierra es el primer paso lógico para estos esfuerzos. Sistemas similares, con la adición de algunos módulos presurizados, podrían luego utilizarse en la Luna y, eventualmente, la superficie lunar podría utilizarse como banco de pruebas para futuras misiones a Marte, necesarias para garantizar la autonomía del puesto de avanzada12. Además de los desafíos que se enfrentan al integrar plenamente todos los compartimentos de la Tierra, los impactos de las condiciones ambientales espaciales (como la gravedad reducida, el aumento de la radiación ionizante, la presión atmosférica más baja, el polvo de regolito, la diferente composición atmosférica y los campos magnéticos) sobre los componentes biológicos y Es necesario tener en cuenta los procesos de BLSS, ya que esto podría afectar su eficiencia y el equilibrio de entrada/salida entre los compartimentos interconectados13,14. En este artículo, nos centramos en los dos grupos principales de organismos BLSS, a saber, plantas y microbios. Destacaremos brevemente lo que se sabe y cuáles son las lagunas de conocimiento existentes que son relevantes para el diseño de BLSS. Además, una sección está dedicada al diseño y realización de BLSS, incluido el posible uso de biomateriales producidos directamente en el espacio. Luego presentamos posibles preguntas de investigación futuras y desafíos tecnológicos a enfrentar en el corto, mediano y largo plazo que deben abordarse para lograr los objetivos de soporte vital en la exploración espacial humana.

Las plantas son las principales productoras de alimentos para los humanos en la Tierra y tienen el potencial de realizar la misma tarea en el espacio. Además, al consumir dióxido de carbono y producir oxígeno mediante la fotosíntesis, purificar el agua a partir de la recogida de agua transpirada y desempeñar un papel en el reciclaje de residuos, son muy adecuados para la regeneración de recursos15. Aunque la regeneración de recursos en misiones a corto plazo sería un requisito “bueno tener”, se convierte en algo “imprescindible” en misiones a largo plazo donde el reabastecimiento desde la Tierra no sería factible y donde la masa de lanzamiento inicial es suficiente para transportar todos los recursos. los consumibles serían prohibitivos.

Podría cuestionarse que la regeneración del aire y el agua se pueda lograr con otros organismos fotosintéticos o procesos fisicoquímicos. Sin embargo, es un hecho que el cultivo de plantas superiores aporta un valor agregado en términos de producción de alimentos en el caso de los cultivos, pues actualmente la única forma de producir alimentos en el espacio es mediante la biotransformación, lo cual no es factible con procesos fisicoquímicos. De hecho, desde un punto de vista nutricional y funcional, la integración de la dieta de los astronautas con alimentos frescos, altamente nutritivos y de origen vegetal puede ayudar a contrarrestar las enfermedades (tanto fisiológicas como psicológicas) inducidas por el estresante entorno espacial16,17. Actualmente, en el espacio sólo se utilizan alimentos preenvasados ​​(aparte de alimentos frescos adicionales en el marco de experimentos seleccionados) y tienden a perder nutrientes y vitaminas con el tiempo. Cooper et al. (2017)18 encontraron que, en los alimentos espaciales, la vitamina C y B1 se degradan a concentraciones inadecuadas en 3 años si se almacenan a 21 °C, mientras que las vitaminas A, B6 y B12 disminuyen, pero permanecen concentraciones suficientes después de 3 años. Para una misión marciana, es posible que los alimentos enviados desde la Tierra deban almacenarse durante varios años, lo que probablemente resulte en un bajo contenido de vitaminas en el momento de su consumo. Las plantas también pueden proporcionar beneficios no nutricionales, como apoyo psicológico contra las condiciones de aislamiento, actuando como apoyo emocional en una especie de “terapia hortícola”19.

Dando por sentada la necesidad de cultivar plantas en el espacio, el diseño del BLSS, incluida la elección de las especies/cultivares y los sistemas de cultivo, debe adaptarse al escenario de la misión y su duración. De hecho, los diferentes escenarios de misión se ven influenciados de manera diferente por los factores ambientales e influyen de manera diferente en la posibilidad de reabastecer recursos desde la Tierra20.

Para misiones humanas de corta duración, como las que se realizan en plataformas en órbita terrestre (LEO), la producción de cultivos debe dirigirse hacia especies de rápido crecimiento, que ocupen volúmenes mínimos y proporcionen altos valores nutritivos, como las verduras de hojas verdes (p. ej., lechuga, col rizada). , microvegetales o brotes, cultivares enanos de cultivos hortícolas (por ejemplo, tomate). El concepto de unidad de producción de hortalizas, también definida como “máquina de ensaladas” para integrar la dieta de los astronautas, ha sido propuesto por investigadores desde principios de los años 90'21,22. Estas especies complementarán la dieta de los astronautas (que todavía depende del suministro de la Tierra en esta clase de misión) y, al ser ricas en nutracéuticos (como antioxidantes y prebióticos), ayudarán a fortalecer las defensas fisiológicas del cuerpo de los astronautas contra las enfermedades. inducida por la exposición a factores espaciales23. Este tipo de instalación para el crecimiento de las plantas no contribuiría sustancialmente al reciclaje de recursos (especialmente en el caso de brotes que todavía se encuentran en una etapa demasiado temprana de desarrollo para tener una actividad fotosintética activa), sino que sólo requeriría insumos mínimos, como pequeñas plantas de baja energía. superficie en crecimiento, corto plazo y básica integración tecnológica con el resto de instalaciones24,25. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los sistemas de cultivo como los microgreens necesitan un elevado número de semillas, lo que puede representar una masa de carga importante en misiones de corta duración.

Para misiones de larga duración y la realización de puestos de avanzada planetarios estables, se deben incluir cultivos básicos (por ejemplo, trigo, papa, arroz, soja) para proporcionar los carbohidratos, proteínas y grasas de la dieta básica. Además, se pueden incluir varias verduras y frutas con ciclos de crecimiento más largos (~100 días, por ejemplo, tomate, pimiento, frijoles y bayas)26. En este escenario, los cultivos se seleccionan en función de su valor nutricional, requisitos de recursos (p. ej., agua, nutrientes, luz), proporción de biomasa comestible/residuos, requisitos de almacenamiento y requisitos de tratamiento de residuos27. La contribución de las plantas al reciclaje de recursos en este caso será sustancial y el cultivo requerirá una gran superficie de cultivo por astronauta y una profunda integración con el resto del sistema y subsistemas de la plataforma. En el caso de misiones de larga duración, la producción de semillas también se convierte en una necesidad. Los ciclos semilla a fruto y semilla a semilla son fases delicadas del ciclo reproductivo de la planta28. Experimentos en microgravedad simulada demostraron la posible aparición de aberraciones en el desarrollo del tubo polínico29,30. Por lo tanto, la consecución de estos ciclos puede requerir una cantidad importante de tiempo y recursos. Tanto en escenarios de misiones de corta como de larga duración, la aclimatación y la adaptación a los factores ambientales espaciales serán criterios cruciales para la selección de especies y cultivares.

En la Tierra, las plantas necesitan invertir recursos para construir hojas capaces de convertir carbono en biomasa mejorando la ganancia de carbono fotosintética y controlando las pérdidas de agua a través de la evapotranspiración. El rendimiento fotosintético e hidráulico está mediado por rasgos estructurales y fisiológicos, que han evolucionado a lo largo de millones de años en presencia de factores “terrestres”31,32, mientras que pueden verse gravemente afectados por factores espaciales33. Entre estos, se encuentran aquellos factores presentes en la Tierra pero a diferentes niveles (por ejemplo, temperatura, luz, presión, composición de la atmósfera), factores nuevos (por ejemplo, gravedad alterada y radiación ionizante) y factores secundarios como procesos físicos alterados por nuevos factores. (por ejemplo, falta de convección impulsada por la flotabilidad)34. Por ejemplo, los factores ambientales, especialmente la humedad y la temperatura, interactúan con el desarrollo del polen y la funcionalidad de las especies de cultivos candidatas para el cultivo espacial35. Junto con un aparato fotosintético y un sistema hidráulico eficientes (p. ej., transporte y distribución eficientes de agua a través del xilema y control de los estomas), el crecimiento y la reproducción eficientes de las plantas dependen de muchos otros procesos complejos, como la proliferación celular, la organogénesis, la esporogénesis y la gametogénesis, controladas. a diferentes niveles (p. ej., molecular, celular, estructural, fisiológico y bioquímico) por factores intrínsecos y ambientales. El avance del conocimiento sobre el efecto de los factores espaciales en los procesos biológicos fundamentales se vuelve crucial porque la alteración de dichos procesos tiene un profundo impacto en los requisitos para el diseño de BLSS. Por ejemplo, la alteración de la coordinación fotosintética/hidráulica tendría un impacto directo en la producción de O2, cambiando el equilibrio existente con el compartimento de la tripulación y requiriendo así una configuración diferente para el control ambiental. La reproducción de plantas en el espacio es fundamental para independizar las misiones de la Tierra; Se necesitan suministro de semillas y experimentos para avanzar en el conocimiento y garantizar una reproducción exitosa en el espacio36,37. Maximizar los recursos y el valor nutritivo, al tiempo que se minimizan los desechos y se garantiza la producción de semilla a semilla, requiere la selección de genotipos que puedan sostener las condiciones espaciales, así como un control preciso y confiable de las condiciones ambientales y de cultivo. Esta selección progresiva de especies de cultivos para el espacio se puede rastrear utilizando el Nivel de preparación de cultivos (CRL), análogo al Nivel de preparación tecnológica (TRL). Introducido por primera vez hace unos 20 años, el CRL fue propuesto nuevamente en 2019 por Romeyn et al.38 para las primeras pruebas de la ISS y LEO. Su objetivo es realizar un seguimiento de las pruebas de diferentes especies de cultivos para su uso en el entorno espacial. Al igual que el TRL, el CRL se basa en una escala del 1 al 9 y asigna "1" a la identificación de un cultivo potencial y "9" a la etapa final de cultivo de un cultivo en el espacio. En el medio, se deben realizar pruebas escalares en diversas condiciones controladas con diferentes criterios de valoración. El objetivo principal de los experimentos de biología vegetal fundamental en el espacio ha sido el estudio del impacto de la microgravedad y la radiación ionizante en el crecimiento de las plantas y los procesos fisiológicos (por ejemplo, señalización hormonal, diferenciación celular, respuestas tropicales y aspectos reproductivos). A partir de estos experimentos, se podría concluir que la microgravedad LEO no obstaculiza el crecimiento de las plantas, al menos no directamente39,40. Más tarde se descubrió que muchas de las aberraciones en el crecimiento de las plantas encontradas en los primeros experimentos espaciales eran causadas indirectamente por la microgravedad, debido a la falta de convección en el aire impulsada por la flotabilidad, que altera el intercambio de gases y los flujos de agua en ausencia de un control ambiental fino41. ,42. Esto indica nuevamente que el sistema agrícola y el control fino del compartimento de crecimiento de las plantas es clave para lograr una buena producción de alimentos en términos cuantitativos y cualitativos. Los primeros experimentos han demostrado cambios en la calidad alimentaria de las verduras producidas en el espacio43, pero se necesitan más pruebas, especialmente para aumentar el control de la estabilidad de las muestras durante el reingreso a la Tierra.

Los efectos de la radiación espacial han sido mucho menos estudiados, probablemente porque todos los experimentos realizados hasta ahora en LEO, a menudo dentro de las instalaciones de LEO, se realizan con exposiciones cortas, lo que lleva a dosis demasiado bajas para provocar modificaciones severas en los microbios o superiores. plantas, que generalmente son más resistentes que los mamíferos44. Además, la mayor parte de la información disponible proviene de estudios terrestres en los que el objetivo de la irradiación aguda fueron semillas secas que se caracterizan por la mayor resistencia a factores abióticos y bióticos13. Sólo se puede lograr una verdadera evaluación de las alteraciones inducidas por la radiación durante el desarrollo de las plantas analizando el efecto de la radiación espacial real en los tejidos en crecimiento activo. Sin embargo, el hardware actualmente disponible para exponer organismos directamente al entorno espacial, sin una protección significativa (por ejemplo, BIOPAN, EXPOSE), no es adecuado para el crecimiento activo de plantas superiores debido a los volúmenes reducidos disponibles y la falta de control ambiental específico.

Otro punto crucial es el sistema de cultivo, que depende de muchos factores técnicos, dependiendo también del escenario de la misión, que dicta las necesidades en términos de presupuesto de masa y energía y, por tanto, de todos los materiales a utilizar. Hasta ahora, los experimentos con plantas en el espacio se han realizado principalmente con un medio granular o un sustrato similar a un gel y una estera para mantener las semillas/plantas en su lugar y gránulos de fertilizante de liberación controlada con la adición de agua10. Sin embargo, en un puesto de avanzada, el cultivo de plantas también podría depender de tecnologías basadas en la utilización de recursos in situ (ISRU). Esto incluye el uso de regolito lunar y marciano, tratado para hacerlos biocompatibles (no tóxicos) con fertilizantes, enmiendas y/o desechos de tripulación tratados para agregar material orgánico a los minerales inorgánicos estériles45,46. Se han realizado y están en curso algunos estudios de referencia sobre el crecimiento de plantas en simulantes de regolito. Sin embargo, ninguno de los simulantes disponibles parece cubrir todas las características relevantes, como la composición mineral exacta, la química redox o la forma del grano. Además, también existen desafíos operativos relacionados con el uso de regolito en gravedad alterada, principalmente relacionados con la contaminación por polvo dentro de los asentamientos, eventos de esclusas de aire y, sobre todo, con el drenaje de agua que influye directamente en la hidráulica de la planta. Para este último, una solución propuesta para contrarrestar el efecto de gravedad reducida fue aumentar el tamaño de las partículas medianas por encima de 1 mm y estrechar su distribución47.

Con el objetivo final de permitir la habitabilidad humana en el espacio, se pueden identificar una serie de lagunas de conocimiento que culminan en la principal cuestión científica abierta: cómo mejorar los cultivos y la producción de alimentos en el espacio (Fig. 2). La identificación de lagunas de conocimiento requiere una definición preliminar de los escenarios óptimos de producción de alimentos correspondientes a los escenarios de misión de referencia, que definen las limitaciones y oportunidades de la misión. La definición de tales escenarios óptimos es en sí misma un vacío en el que los primeros pasos son la definición de la escala del compartimento de crecimiento de las plantas (relacionada con el tamaño de la tripulación y el espacio disponible), la duración de la misión, la disponibilidad de recursos energéticos, la posibilidad de utilizar fuentes externas. recursos y sistemas de cultivos múltiples. También existe la necesidad de mejorar la selección de especies y cultivares, incluido el mejoramiento de ideotipos para adaptarlos a las diferentes misiones de referencia específicas. Aunque se dispone de amplia información tanto sobre biología vegetal como sobre horticultura en el espacio, sigue siendo necesario definir las principales tendencias, independientemente de las diferentes condiciones experimentales utilizadas. El objetivo es desarrollar conocimientos mecanicistas y modelos predictivos del crecimiento de las plantas en compartimentos espaciales, incluyendo la gravedad reducida y la radiación como parámetros de entrada48. La investigación y los experimentos terrestres en LEO deberían tener como objetivo optimizar el suministro de recursos según las fases fenológicas y definir contramedidas en caso de alcanzar niveles subóptimos. El monitoreo para identificar señales tempranas de estrés en las plantas es fundamental para crear alertas, evitar fallas en el cultivo y proporcionar contramedidas adecuadas en caso de que ocurran condiciones subóptimas (anormales)49.

También se incluyen otras plataformas de investigación como la Tierra, la Luna, Marte y BLEO (Beyond LEO). BLEO se refiere a misiones a largo plazo más allá de LEO, que también implican únicamente viajes/tránsito sin la permanencia en una estación planetaria. Representan tanto la base para la investigación en la ISS como las futuras actividades de investigación posteriores a la ISS (por ejemplo, el GATEWAY en órbita lunar).

Es necesario llenar una serie de lagunas para optimizar los subsistemas de cultivo espacial, que incluyen lagunas de conocimiento en biología vegetal y agrotecnologías (Fig. 2). Llenar estos vacíos de conocimiento permitirá definir protocolos y procedimientos específicos de cada especie para optimizar la eficiencia en el uso de recursos para el cultivo de plantas en BLSS (también en presencia de factores espaciales), basados ​​en la identificación de los requisitos de crecimiento, que cambian según la etapa de desarrollo ( semilla, brote, plántula, planta adulta) o fase fenológica (crecimiento vegetativo, floración, fructificación). La partenocarpia, o desarrollo de frutos sin semillas, puede ser útil para desarrollar frutos en condiciones ambientales que son desfavorables para una polinización y fertilización exitosa50. La reproducción asexual puede asegurar la regeneración de los recursos alimentarios y un valor nutricional estable, mientras que la reproducción sexual puede garantizar un mayor coeficiente de propagación y menores costos de almacenamiento y transporte51.

Por lo tanto, es necesario probar e identificar cuáles son los mejores y más sostenibles (1) sustratos (para promover ISRU), (2) sistemas de suministro de agua y nutrientes, (3) sistemas de gestión de la atmósfera y (4) sistemas de iluminación. Más específicamente, es necesario comprender el impacto de los factores espaciales directos y otros factores (por ejemplo, volúmenes limitados) en la absorción de agua y nutrientes, así como el efecto de diferentes sistemas y usos de cultivo en las modificaciones a largo plazo de los sustratos de crecimiento y dinámica de entrega de agua. Es importante considerar el manejo de la atmósfera, es decir, comprender el efecto directo de la humedad relativa, la ventilación y la composición de la atmósfera sobre la morfogénesis de las plantas, los procesos fisiológicos (especialmente en lo que respecta a la coordinación de la hidráulica y la fotosíntesis), la productividad, el rendimiento y la calidad (nutricional). valor y seguridad) de los alimentos producidos. En cuanto al sistema de iluminación, es necesario comprender y optimizar el efecto de la cantidad y calidad de la luz sobre la morfogénesis, los procesos fisiológicos, la productividad y los valores nutricionales de las plantas. En última instancia, se hace necesario definir los requisitos ambientales y de cultivo, que cambian no sólo según la especie/cultivar sino también según la etapa de vida y la fase fenológica.

También es necesario desentrañar el impacto del efecto de los factores de espacio y cultivo, solos o en interacción, especialmente en la coordinación entre la hidráulica de la planta y la fotosíntesis en el continuo suelo/sustrato-planta-atmósfera, considerando la planta como un todo. Para lograr estos propósitos, parece necesario realizar más pruebas de morfofisiología y biología molecular (para investigar la estabilidad del genoma y la regulación del metabolismo) en especies de cultivos (además de lo que se ha hecho en plantas modelo como Arabidopsis thaliana) y diferenciar entre aclimatación y adaptación de las plantas, especialmente cuando se considera la necesidad de garantizar una producción viable de semillas para múltiples generaciones. Para garantizar este último punto, es necesario identificar los obstáculos en el ciclo reproductivo centrándose en el ciclo completo o en fases específicas del proceso de semilla a semilla (por ejemplo, desarrollo de la flor, viabilidad del polen, fertilización, embriogénesis) para definir requisitos medioambientales y soluciones técnicas para superar estas limitaciones.

Las acciones específicas para llenar los vacíos que deben abordarse en biología vegetal para apoyar el diseño de BLSS son:

Mejorar el conocimiento sobre la orientación del crecimiento de las raíces, centrándose principalmente en las interacciones de múltiples tropismos, para brindar información para el diseño de cámaras de crecimiento de plantas.

Identificar los efectos de múltiples factores espaciales (p. ej., alteración de la gravedad y la radiación) sobre la capacidad de regeneración de las plantas tanto por clonación como por reproducción.

Estudie la biología en sistemas y procesos de fluidos multifásicos en gravedad alterada, incluidos líquido/líquido, líquido/gas y líquido/sólido, con producción biológica activa de compuestos para comprender el efecto de la gravedad alterada en:

hidráulica de plantas e intercambio de gases, para definir requisitos para el control ambiental y monitoreo de las cámaras de crecimiento de plantas, con énfasis específico en control de humedad, flujo de aire y composición de la atmósfera.

Transporte de agua y solutos (absorción de raíces, xilema y flujos de savia de floema) para mejorar los sustratos de cultivo y los sistemas de entrega de agua/nutrientes.

Definir los requisitos de blindaje considerando la diferente radiosensibilidad de diferentes especies, cultivares y la sensibilidad dependiente de la etapa de vida, considerando también los posibles efectos horméticos (por ejemplo, estimulación de diferentes procesos biológicos que ocurren cuando los organismos son sometidos a irradiación con dosis bajas).

Otras lagunas de conocimiento se refieren a las interacciones con otros compartimentos. De hecho, es fundamental evaluar el papel del microbioma y las interacciones entre las plantas y los microorganismos beneficiosos/patógenos en condiciones espaciales. Los procesos microbianos aguas arriba en el circuito cerrado de BLSS probablemente darán como resultado condiciones de cultivo de cultivos dinámicas y no óptimas (niveles/proporciones de nutrientes); Por lo tanto, es necesario mejorar nuestro conocimiento de las vulnerabilidades y umbrales de las plantas e identificar medios de mitigación.

Desde el punto de vista tecnológico, es crucial desarrollar sistemas y procedimientos para monitorear las condiciones de cultivo y el crecimiento de las plantas en tiempo real y adoptar contramedidas en caso de alertas. Esto incluye el desarrollo de:

Sensores miniaturizados para control remoto, monitoreo y modelado del crecimiento de las plantas para pronosticar la productividad de las plantas en caso de anomalías en los diferentes subsistemas de cultivo, y para la detección temprana de síntomas de estrés y enfermedades de las plantas (por ejemplo, imágenes hiperespectrales y multiespectrales).

Sensores miniaturizados para monitorizar las condiciones de cultivo. En un circuito cerrado, con procesos dinámicos aguas arriba, por ejemplo, el monitoreo de la calidad química y microbiana del agua es muy importante.

Procedimientos de ajuste en tiempo real mediante control remoto de parámetros ambientales/cultivo/crecimiento.

En la selección de especies/cultivares, además de los criterios relacionados con el valor nutricional y las moléculas promotoras de la salud (que deben preferirse), los requisitos de cultivo y la resistencia a los factores espaciales, se deben considerar otros criterios. En una visión de largo plazo, la selección debe considerar especies destinadas al procesamiento mínimo de alimentos, estableciendo también protocolos y menús para el procesamiento mínimo de los alimentos, respetando los aspectos de seguridad alimentaria. Se entiende que esto puede no ser posible para todos los cultivos y que aún será necesario incluir algunos cultivos básicos que requieren procesos intensivos (por ejemplo, trigo, papa, arroz). Algunos52 ya han intentado desarrollar un menú de Soporte Vital Avanzado (ALS) basado en la lista de cultivos de las Instalaciones Experimentales Cerradas de Ecología (CEEF). Esas recetas se evaluaron utilizando algunos índices que incluyen contenido nutricional, aceptabilidad, peso fresco de los ingredientes y área de cultivo necesaria de cada una.

La integración de todo el conocimiento adquirido en experimentos pasados ​​y futuros debería culminar en el análisis de cómo se pueden armonizar los factores ambientales/espaciales y de cultivo para mejorar la producción de alimentos de origen vegetal en el espacio, maximizando la calidad nutricional de los alimentos de origen vegetal y reduciendo al mismo tiempo los efectos antinutricionales. factores.

La biotecnología microbiana tiene como objetivo el diseño, la ingeniería y el control de bioprocesos microbianos hacia los productos finales deseados. Los bioprocesos microbianos se aplican ampliamente en la Tierra, desde el tratamiento de aguas residuales y el procesamiento de desechos orgánicos hasta la producción de alimentos (por ejemplo, masa, cerveza, queso, yogur), la biotecnología industrial y la producción de medicamentos. Aunque actualmente está casi ausente en el espacio, la biotecnología microbiana es esencial para la recuperación de recursos (es decir, "cerrar el círculo"), lo que permite una revitalización del aire, una reutilización del agua, un tratamiento de residuos, una producción de alimentos y una producción de N2 como gas inerte más eficiente en el uso de los recursos. en BLSS. Para futuras misiones a la Luna y Marte, se deben explorar aplicaciones biotecnológicas microbianas adicionales. Hasta ahora se ha hecho poco en materia de producción de alimentos y procesos de fermentación microbianos o asistidos por microbios, probióticos y nutracéuticos, y producción de fármacos (por ejemplo, antibióticos) en el espacio. Se podría investigar el desarrollo de instalaciones y kits de cultivo "hágalo usted mismo" (por lotes) a bordo para la fermentación o la producción de alimentos (por ejemplo, masa de pan y horneado) que sean seguros y adecuados para la cosecha y el consumo directos, y requieran un procesamiento mínimo de alimentos, pero que proporcionen, no obstante, la tripulación con productos alimenticios beneficiosos para la salud.

Uno de los conceptos más avanzados para bioprocesos en el espacio implica fotobiorreactores de microalgas. Han sido bien estudiados en la Tierra, con más de 30 años de datos y conocimientos que documentan altas tasas de producción para muchas especies40. Las aplicaciones terrestres están surgiendo a gran escala e incluyen la purificación del agua, la captura y conversión de CO2, así como la producción de biomasa para complementos alimenticios proteicos, biocombustibles, pigmentos y otros productos. De hecho, la biomasa generada puede reciclarse o valorizarse de otro modo. Los enfoques que se están investigando incluyen: su uso como fuente de nutrientes para otros procesos basados ​​en plantas o microorganismos53; su incorporación a la materia prima de la impresión 3D54; y, en el caso de especies comestibles, su consumo por parte de la tripulación como complemento alimenticio rico en proteínas55. De hecho, muchos BLSS en desarrollo han seleccionado microalgas, incluidas cianobacterias, para la eliminación eficiente de CO2 y la producción de O2, y como complementos alimenticios. Los procesos de microalgas y los biorreactores se han adoptado desde el inicio del desarrollo del BLSS y se han estudiado en el espacio, mientras que otros bioprocesos (por ejemplo, la nitrificación para el tratamiento de la orina, la fermentación anaeróbica para la degradación de desechos, los biofiltros de aire y el tratamiento de gases de escape, la meteorización del regolito para la producción de metales) minería y movilización de nutrientes) han sido mucho menos explorados56,57.

Hasta donde sabemos, sólo dos fotobiorreactores de microalgas han sido enviados al espacio y sólo uno funcionó con éxito durante varias semanas dentro de la ISS11. Este último era de sólo 50 ml. Se ejecutó en modo por lotes y se centró en la producción de biomasa para la investigación en biología celular, biología molecular y bioquímica. El modelo mecánico del fotobiorreactor desarrollado para la producción de O2 se ajustaba a los datos experimentales obtenidos en este experimento de la ISS11. Se han generado pocos conocimientos en condiciones espaciales sobre la conversión de productos y los productos bioquímicos finales (según sería necesario, por ejemplo, degradación de desechos, purificación de agua o fermentación), o sobre la cinética de los bioprocesos en el espacio. El monitoreo en línea a menudo era incompatible con el hardware de vuelo (es decir, restricciones de masa, tamaño y energía) o se consideraba demasiado costoso. Por lo tanto, el control de bioprocesos en tiempo real y la transferencia de datos siguieron siendo muy limitados. Además, también queda por explorar la evolución de la cepa o comunidad microbiana del biorreactor a lo largo de múltiples generaciones en el espacio y, en consecuencia, la posible deriva en la eficiencia del proceso o los productos.

Los biorreactores confinan los bioprocesos y permiten su control, independientemente de las condiciones ambientales naturales. Dependiendo de su propósito, el objetivo es maximizar el crecimiento (por ejemplo, producción de biomasa comestible) o aumentar su desempeño en términos de degradación de productos de desecho. Un gran desafío en los biorreactores espaciales es imponer y regular las mismas condiciones de proceso en el espacio que normalmente se hacen en la Tierra (es decir, luz, nutrición, temperatura, pH y disponibilidad de agua), considerando estrictas cuestiones de seguridad, así como masa, potencia, y restricciones de volumen. Otro desafío es la integración de componentes biológicos y fisicoquímicos y, en este sentido, en el segundo trimestre de 2019 se lanzó a la ISS el experimento Fotobiorreactor en el Life Support Rack (PBR@LSR). El objetivo era demostrar la viabilidad de compuestos xénicos de larga duración. cultivo a largo plazo de microalgas (Chlorella vulgaris) en condiciones espaciales y demostrar por primera vez la tecnología y el rendimiento de un sistema de soporte vital híbrido (que combina componentes fisicoquímicos y biotecnológicos)58. Por último, quedan por investigar a fondo los fenómenos relacionados con la gravedad y la radiación en los biorreactores microbianos en el espacio y su impacto en la biología.

Con el objetivo final de apoyar la habitabilidad espacial humana, se pueden identificar una serie de lagunas de conocimiento que culminan en la principal cuestión científica abierta: cómo diseñar biorreactores espaciales eficaces (Fig. 3). Es necesario considerar las siguientes acciones y cuestiones abiertas para la ingeniería de biociencias y la biotecnología espaciales:

También se incluyen otras plataformas de investigación como la Tierra, la Luna, Marte y BLEO. BLEO se refiere a misiones a largo plazo más allá de LEO, que también implican únicamente viajes/tránsito sin la permanencia en una estación planetaria. Representan tanto la base para la investigación en la ISS como las futuras actividades de investigación posteriores a la ISS (por ejemplo, el GATEWAY en órbita lunar).

Biorreactores/bioprocesos individuales:

Desarrollar soluciones (y tecnologías) adecuadas para el almacenamiento, transporte, activación y parada de bioprocesos microbianos en condiciones espaciales que tengan en cuenta la alteración de la gravedad y el aumento de la radiación ionizante.

Intensificar aún más los bioprocesos y miniaturizar los biorreactores para misiones espaciales que impliquen masas, volúmenes y recursos muy limitados (por ejemplo, implementar/desarrollar procesos/reactores de alta densidad celular; aumentar el transporte de masa mediante mezclado o bombeo mecánico, lo que podría aumentar la tensión de corte; mejorar la interfase). tipos de intercambio de masa, por ejemplo, intercambio gas-líquido usando tecnologías de membrana).

Definir la mejor configuración para fotobiorreactores espaciales y sistemas de recolección en una estación espacial o puesto avanzado. Valdrá la pena investigar si la biología (por ejemplo, la cinética de crecimiento de los microorganismos y la tasa de desarrollo) y los bioprocesos se beneficiarían de contramedidas que incluyan (hipo)gravedad artificial, campos magnéticos y luz artificial o natural.

Desarrollar soluciones (y tecnologías) adecuadas para un biomonitoreo remoto completo y un control de bioprocesos.

Desarrollar sensores y equipos analíticos no invasivos y biocompatibles, compatibles con las condiciones espaciales, que realicen mediciones in situ del transporte fisiológico (p. ej., agua y nutrientes) y del intercambio (p. ej., gases como O2 y CO2) en un cultivo en biorreactor.

Caracterizar y comprender la separación de fases (gas-líquido, líquido-líquido) y la mezcla, incluida la determinación y predicción de heterogeneidades en los volúmenes de reacción, y la cinética y estequiometría para diferentes configuraciones. La recolección de biomasa y la separación sólido-líquido, manteniendo al mismo tiempo la biomasa segura para su uso con la mejor calidad nutricional, también son pasos cruciales a tener en cuenta.

Determinar los riesgos de contaminación/deterioro microbiano y químico en las operaciones y productos del biorreactor, y definir el almacenamiento y la logística de los suministros (utensilios, agua, alimentos, etc.) para los vuelos espaciales.

Biorreactores/bioprocesos interconectados:

Cuando se acoplan varios bioprocesos y biorreactores para cerrar el circuito circular y se mantienen operativos durante un largo período, se manifiestan desafíos adicionales relacionados con:

¿Cómo prevenir la contaminación (cruzada) al acoplar procesos axénicos?

¿Cómo prevenir posibles metabolitos perjudiciales o interferencias de células (microbianas) (moléculas de detección de quórum) entre biorreactores interconectados?

¿Cómo controlar el circuito y cómo abordar posibles problemas/fallos operativos de algunos de sus elementos?

Desarrollar experimentos y modelos ad hoc para evaluar los bioprocesos a diferentes escalas en tamaño y tiempo, dependiendo de los diferentes escenarios de misión.

Hasta ahora, los experimentos y pruebas actuales de biorreactores se han realizado durante períodos breves (unos pocos días o semanas). Si esos sistemas van a ser parte de un BLSS, tendrán que funcionar durante largos períodos de manera confiable. Es necesario abordar la cuestión relativa a los desempeños a largo plazo, incluidas las actividades tanto técnicas como biológicas:

Explorar la usabilidad (funcionalidad y estabilidad) de una variedad de microbios y comunidades terrestres validados (incluidos los genéticamente modificados o sintéticos) e identificar los candidatos más adecuados para la producción de prebióticos y probióticos, nutracéuticos o medicamentos en el espacio, como protectores. o contramedidas terapéuticas para la protección radiológica, el microbioma intestinal saludable, la digestión, el tratamiento de la piel y las heridas, y la salud periodontal (boca y dientes).

Evaluar el potencial de la impresión 3D de alimentos y otros productos alimenticios futuros a partir de fuentes microbianas y fúngicas.

Investigar más a fondo los procesos biogénicos de ISRU, como la biolixiviación (p. ej., extracción de elementos de tierras raras) y la biomineralización (p. ej., ladrillos de base biológica, reducción de la toxicidad del regolito o del polvo mediante mineralización). Esto incluye comprender las interacciones microbio-minerales utilizando muestras recolectadas de la Luna o Marte y/o simulaciones representativas en condiciones espaciales.

Además de la ISS, explotar otras plataformas y oportunidades de vuelos espaciales LEO, así como módulos de aterrizaje o rovers lunares como banco de pruebas para componentes miniaturizados de bioprocesos LSS, para evaluar el efecto de los factores ambientales espaciales en el desempeño bio(tecnológico)lógico.

El diseño de un BLSS es un gran desafío y, aunque existen varios diseños potenciales, aún queda por demostrar el cierre de bucle alto, primero con demostradores terrestres y luego en el espacio.

Los elementos impulsores para el diseño de un BLSS ideal son:

Control confiable de la composición de la atmósfera según los requisitos de los diferentes subcompartimentos.

Control de humedad suficiente y fiable, y máxima recuperación de agua en agua potable.

Producción de alimentos seguros con alto valor nutricional, con requerimientos mínimos de recursos y máximo índice de cosecha (relación entre biomasa comestible y total).

Gestión eficiente (p. ej., contención para la bioseguridad) y máxima reconversión de desechos, CO2 y minerales en recursos para la revitalización del aire (p. ej., O2, N2) o la producción de cultivos (p. ej., fertilizantes NPK), en un número mínimo de procedimientos simplificados. pasos de reciclaje, con un mínimo consumo de recursos.

Utilizar organismos y comunidades bien caracterizados, confiables y seguros, que preferiblemente posean un cierto grado de "robustez espacial".

Mantenimiento de un entorno de hábitat bioseguro y saludable (mantenido libre de desechos, peligros microbianos y químicos).

Unidades operativas autorreguladas, pequeñas, livianas y fáciles de manejar (por ejemplo, biorreactores, cámaras de crecimiento de plantas) adaptadas para vuelos espaciales (en el caso de estaciones orbitales o vehículos de tránsito espacial).

Posible utilización de los recursos disponibles in situ (incluidos los residuos).

Modelos mecanísticos robustos y efectivos de cada compartimento y del BLSS en su conjunto para predecir y anticipar fallas potenciales, permitir un control sólido y confiable y permitir la evaluación y comparación del diseño del sistema.

Cualquier diseño de BLSS requerirá una combinación inteligente de múltiples organismos y bioprocesos, todos los cuales contribuirán al cierre del ciclo. Un punto crítico es seleccionar organismos que puedan mantener una alta productividad en condiciones de baja gravedad o altos niveles de radiación, y que puedan depender, como nutrientes, de materiales disponibles naturalmente en la Luna o Marte (parcial o exclusivamente).

En la Tierra, los organismos utilizados en biotecnología pueden ser comunidades (ambientales) naturales o sintéticas (gnotobióticas), aislados axénicos seleccionados en laboratorio, cultivares u organismos modificados utilizados en aplicaciones industriales y agrícolas. Algunas de las aplicaciones de biotecnología microbiana y vegetal se basan en la ingeniería metabólica, el uso de técnicas de ADN recombinante y/o expresión heteróloga, para adaptar la producción celular a los productos finales deseados. La investigación espacial actual se ha centrado en un número limitado de organismos bien conocidos. Para las aplicaciones espaciales de BLSS en Europa, hasta donde sabemos, hasta ahora solo se han preseleccionado e investigado cepas, comunidades y cultivares naturales. En la Tierra, muchos bioprocesos (como los procesos alimentarios) utilizan cepas "industriales" bien caracterizadas y seleccionadas específicamente para "adecuarse al propósito" (por ejemplo, levadura para la producción de pan o cerveza), que son cepas robustas que han evolucionado específicamente a lo largo de muchos ciclos. y adaptados para una alta productividad, en las condiciones de producción específicas diseñadas. Incluso los organismos genéticamente modificados (OGM) se utilizan en I+D o producción fuera de Europa59. Además, el uso de la biotecnología vegetal podría resultar útil para la modelización y la definición de un ideotipo espacial. La evolución adaptativa u otras herramientas de bioingeniería podrían ser útiles para obtener cepas/cultivares adecuados "adaptados al espacio" y "optimizados para ISRU".

Para lograr el desafío de la realización de BLSS, es necesario abordar dos cuestiones principales, a saber, “cómo optimizar el diseño de ecosistemas artificiales y el cierre de bucles” y, finalmente, “qué materiales novedosos se pueden utilizar para y desde BLSS en el espacio”. Para abordar estas cuestiones, es necesario colmar lagunas de conocimiento específicas, como se indica en la figura 4.

También se incluyen otras plataformas de investigación como la Tierra, la Luna, Marte y BLEO. BLEO se refiere a misiones a largo plazo más allá de LEO, que también implican únicamente viajes/tránsito sin la permanencia en una estación planetaria. Representan tanto la base para la investigación en la ISS como las futuras actividades de investigación posteriores a la ISS (por ejemplo, el GATEWAY en órbita alrededor de la Luna).

Un objetivo clave es definir los bioprocesos y biomateriales esenciales, así como sus combinaciones mínimas y óptimas, para alcanzar la máxima eficiencia de conversión y recuperación de recursos. Deben adoptarse descubrimientos y nuevos conocimientos sobre bioprocesos, ciclos de nutrientes y funcionamiento de los ecosistemas. Además, la aplicación de un enfoque de análisis del ciclo de vida puede resultar útil para el análisis de las interconexiones entre compartimentos. Un enfoque de “biofabricación” basado en la utilización e integración de recursos in situ como lo describen Berliner et al. (2021)60 debe considerarse para lograr la exploración espacial basada en humanos.

Además, se deben desarrollar modelos de conocimiento mecanicistas y modelos predictivos para el control de procesos y sistemas. De hecho, el control de procesos y sistemas requiere modelado (predictivo), lo que a su vez requiere una comprensión profunda de los mecanismos biológicos, fisiológicos y físicos elementales. Se debe explorar más ampliamente el potencial de los biomateriales existentes y futuros y de los nuevos biomateriales para BLSS, yendo más allá de las especies/cultivares/cepas modelo y evaluando la usabilidad de una variedad de elementos para identificar los candidatos más adecuados. En los bioprocesos, un punto es evaluar si se puede construir completamente un ecosistema artificial con cultivos axénicos separados y bien caracterizados o comunidades gnotobióticas (lo cual se prefiere por razones de control de procesos y seguridad del producto); o si es necesario o beneficioso el uso de microbios y comunidades naturales, no identificados, complejos o nuevos. En el último caso, se requiere una evaluación exhaustiva de cómo el uso de comunidades no identificadas, incluida su autoadaptación a las condiciones espaciales y su autoevolución, desafiará/obstaculizará el diseño mecanicista racional y las estrategias de control de los BLSS diseñados, y la capacidad predictiva. evaluación de las prestaciones y de los riesgos. Se podría considerar que este enfoque cumple los siguientes puntos:

Incrementar la aptitud de organismos relevantes en condiciones ambientales específicas.

Mejorar la eficiencia de los bioprocesos existentes.

Permitir nuevas funciones biológicas (por ejemplo, producción de nuevos compuestos, valorización de residuos difíciles de reciclar, utilización de materiales disponibles en la Luna y Marte).

Explorar los usos potenciales de los materiales disponibles en las superficies planetarias (p. ej., regolito lunar y marciano, atmósfera marciana) como insumos para BLSS (ISRU), para mejorar la sostenibilidad del sistema.

Para la realización de ISRU, se deben considerar las siguientes cuestiones:

Desarrollar metodologías y tecnologías para el uso de sustratos planetarios como fuentes de nutrientes para BLSS (por ejemplo, métodos de lixiviación y extracción de nutrientes para fertilizantes).

Desarrollar metodologías y tecnologías para el uso de materiales planetarios como soporte físico (p. ej., como materiales portadores o sustrato para cultivo de plantas), definiendo también procedimientos y protocolos para mejorar las propiedades físicas y químicas (p. ej., reducir la toxicidad) del regolito lunar y marciano.

Desarrollar procedimientos específicos para la modificación del regolito utilizando residuos derivados de los diferentes compartimentos del BLSS.

Desarrollar metodologías y tecnologías para el uso de materiales planetarios como material estructural de la infraestructura y la propia instalación de cultivo del BLSS (esqueleto, tanques, etc.). Debe evaluarse qué componentes del BLSS se pueden fabricar en vuelo, por ejemplo, mediante impresión 3D fuera de la Tierra utilizando materiales disponibles en las superficies lunar y marciana.

Evaluar la durabilidad de dichos materiales (p. ej., sustratos) durante el uso prolongado o la reutilización durante múltiples ciclos de cultivo.

Otra brecha es el desarrollo de métodos y procedimientos para evaluar y garantizar la estabilidad, confiabilidad, robustez y seguridad de los subsistemas y el BLSS completo en diferentes condiciones operativas en los distintos escenarios de misión.

Otro punto a considerar es el impacto de las contramedidas sanitarias y farmacológicas en los BLSS circulares para definir reglas para la inclusión o exclusión de ciertos flujos de residuos. Aunque es claramente secundario a su seguridad para el huésped humano y la eficacia del tratamiento, la secreción y recalcitrancia de un fármaco y su destino en un sistema de producción de alimentos circular y regenerativo de residuos (y todos sus pasos) deben evaluarse y tomarse en cuenta como una opción de selección. criterio para los fármacos que se desplegarán en futuras misiones espaciales que requieran soporte vital regenerativo61.

No hace falta decir que existe una necesidad urgente de seguir desarrollando instalaciones BLSS europeas en la Tierra para realizar pruebas integradas de larga duración, incluidos todos los módulos de BLSS (por ejemplo, reactores, biorreactores, cámaras de plantas superiores, separadores, procesos de purificación) en combinación con otras actividades del hábitat y de la tripulación (p. ej., EVA, aspectos médico-psicológicos-conductuales-de aceptabilidad). Estas instalaciones de prueba integradas deben ser modulares, robustas y fáciles de reactivar y ampliar. Serían fundamentales para demostrar el cierre ideal del circuito, en la Tierra, con un tamaño y duración de tripulación representativos.

La posible introducción de nuevos biomateriales merece una atención específica, ya que contiene sub-lagunas específicas (Fig. 4). La biotecnología microbiana y vegetal en el espacio es un gran paso adelante con respecto a la biotecnología actual basada en la Tierra y un incentivo adicional para explorar materiales novedosos para y a partir de BLSS. Idealmente, estos nuevos materiales deberían ser reciclables en un circuito cerrado. En esta visión, resulta fundamental mejorar la biocompatibilidad de los materiales y productos BLSS para un contacto seguro con la tripulación y un uso prolongado en entornos sellados. En un marco de circularidad, debería explorarse si los productos (de desecho) de los biorreactores o del cultivo de plantas se pueden utilizar para la "bioimpresión" de biomateriales en apoyo de la ingeniería de tejidos humanos, así como para producir biomateriales para la (bio)fabricación y (bio) fabricar estaciones espaciales a bordo62,63. Algunos ejemplos de biomateriales son aceites y lubricantes, biocombustibles, bioplásticos y biotintas para impresión 3D (por ejemplo, de biopelículas). Vale la pena explorar si se pueden desarrollar nuevos materiales biocompatibles para interceptar la luz en fotobiorreactores y módulos de crecimiento de plantas, para reflejar la radiación ultravioleta y al mismo tiempo transmitir radiación visible e infrarroja. Idealmente, esos materiales serían capaces de soportar grandes diferencias de presión entre el interior y el exterior y evitar el sobrecalentamiento, pero permitirían un control térmico eficiente (por ejemplo, disiparían la mayor parte del calor de la radiación infrarroja). Finalmente, se debe evaluar la posibilidad de incorporar funcionalidades nuevas y biointeractivas en los materiales (por ejemplo, flexibilidad, transparencia, control de la tensión superficial, biodegradabilidad, resistencia a la esterilización, resistencia a la bioincrustación, dispositivos de detección, etc.) para mejorar la funcionalidad del hardware de cultivo y durabilidad.

Cualquier BLSS para aplicación espacial debe considerarse como una maqueta de tamaño reducido de un sistema ecológico terrestre. Cualquier desarrollo de BLSS está sujeto a una evaluación intrínseca y obligatoria a nivel de sistema. Un BLSS para el espacio debe satisfacer las necesidades básicas de un LSS avanzado proporcionado por el Documento de Suposiciones y Valores de Referencia de la NASA (BVAD)64. Se necesitarían entre 40 y 50 m2 de cultivos cultivados con altas intensidades de luz (>500 μmol m-2 s-1) para producir suficientes calorías dietéticas y suministrar toda la producción de O2 y la eliminación de CO2 de un ser humano. Sin embargo, hasta ahora todos los estudios del BLSS se han realizado desde tierra y los resultados deben probarse en condiciones espaciales33.

Las prioridades de los programas espaciales requieren mejoras en las siguientes áreas de interés:

Los “compartimentos de microbios”: para el reciclaje eficiente de desechos orgánicos y también para la utilización de microbios como enmiendas para el regolito marciano y lunar.

El “compartimento vegetal”: para el cultivo eficiente de cultivos básicos y no básicos (incluido el policultivo) para la regeneración de recursos y la producción de alimentos, así como la posibilidad de lograr el ciclo de semilla a semilla para lograr la independencia de los suministros de la Tierra.

El fino seguimiento y control remoto de las condiciones ambientales y la automatización de todos los procesos.

La posible introducción de nuevos biomateriales.

De hecho, estas áreas son de interés también para los procesos terrestres, ya que en BLSS las cuestiones y problemas tratados son fundamentalmente idénticos a aquellos que se abordan para lograr la sostenibilidad de los procesos en la gestión de nuestros ecosistemas terrestres. No hace falta decir que este tipo de desarrollo de conocimiento es de gran importancia para la ingeniería ambiental en la Tierra hoy en día, similar a la importancia que tuvieron los programas espaciales de Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) para las ciencias informáticas en los años sesenta. De hecho, este tipo de investigación beneficia a los sectores agroalimentario y sanitario de la Tierra, donde ya ha dado lugar a aplicaciones valiosas, como mejoras en la automatización y el control en el seguimiento de cultivos o alimentos liofilizados, y seguirá aportando múltiples beneficios. Además, está perfectamente en línea con la economía circular y las políticas del Nuevo Pacto Verde de la Comisión de la UE65. La investigación BLSS tiene una clara relevancia para muchos objetivos de desarrollo sostenible (ODS) de la UE y, en particular, para SGS n. 2 (Hambre Cero), 3 (Salud y Bienestar), 4 (Educación de Calidad), 6 (Agua Limpia y Saneamiento), 7 (Energía Asequible y Limpia), 11 (Ciudades y Comunidades Sostenibles) y 12 (Consumo Responsable) y Producción), como se resume en la Fig. 5. Los 17 objetivos cubren desafíos de desarrollo social, económico y ambiental y cada uno tiene un conjunto de metas, que están interconectadas de modo que el éxito de un objetivo siempre implica abordar múltiples otros objetivos66,67 . Solo por mencionar algunos, la investigación del BLSS apoya la agricultura de precisión, contribuyendo al desarrollo de herramientas para mejorar el seguimiento de los cultivos para proporcionar datos más valiosos a los agricultores y ayudarlos a mejorar el rendimiento y evitar la escasez de alimentos (ODS 2,6). Será posible mejorar el uso de satélites para mapear la propagación de enfermedades y emergencias de salud pública (ODS 3), permitir que los niños aprendan a distancia y aumentar la conciencia sobre las oportunidades de educación STEM (ODS 4), y dar grandes pasos en la purificación del agua y regeneración de recursos para promover y aumentar los recursos/productos reciclados (ODS 12). Por tanto, el espacio es una gran herramienta para ayudar a la comunidad a alcanzar los ODS en la Tierra en una visión de economía circular.

Por lo tanto, la investigación orientada al espacio puede aportar beneficios para los objetivos de sostenibilidad de la Tierra.

El desarrollo de sistemas de soporte vital es un esfuerzo multidisciplinario y multigeneracional. Los científicos e ingenieros de hoy están desarrollando los sistemas del mañana, necesarios para las misiones a la Luna y a Marte de las próximas décadas. Los esfuerzos conjuntos de muchas disciplinas que abarcan desde la microbiología hasta la botánica, desde la horticultura hasta la tecnología de sistemas y desde la biología celular hasta la biotecnología, están dando lugar a avances científicos y tecnológicos que están aportando beneficios inmediatos también a la Tierra. Aún así, existen muchas brechas a nivel de las ciencias fundamentales y los puntos de vista tecnológicos para realizar e integrar subsistemas en un BLSS cercano. Cualquier diseño de BLSS requerirá una combinación inteligente de múltiples organismos y bioprocesos que puedan mantener una alta eficiencia de funcionamiento en condiciones de gravedad alterada o altos niveles de radiación, y que podrían beneficiarse del uso de los recursos disponibles in situ.

Para lograr los aún numerosos desafíos, también se necesitan esfuerzos conjuntos para invertir en las próximas generaciones de jóvenes talentos STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas). Además, los empresarios deberían participar desde el principio. Para ello, se deben desarrollar programas educativos, de capacitación y de comunicación que incluyan:

todas las disciplinas STEM relevantes: biología microbiana/vegetal/animal/humana, biología molecular, bioquímica, bioinformática y bioestadística, ingeniería en biociencias, ingeniería ambiental, matemáticas, modelado, control y automatización, ciencias y tecnología agrícolas, ciencia y tecnología de los alimentos, ciencias del diseño, así como programas transversales e interdisciplinarios.

todo tipo de público y edades: proyectos de educación primaria y secundaria, planes de estudio docentes y proyectos de tesis de licenciatura y maestría, pasantías y visitas científicas y técnicas, programas de doctorado y posdoctorado, escuelas de verano, talleres, proyectos de ciencia ciudadana, congresos científicos y de público en general, etc.

La visión marco de tales investigaciones es lograr el objetivo de ir más allá de la “simple” supervivencia humana en el espacio hacia la habitabilidad humana en el espacio a largo plazo.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de la naturaleza vinculado a este artículo.

No se generaron datos a lo largo del manuscrito.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la Agencia Espacial Europea (ESA). Este documento de perspectiva se basa en el trabajo de los colaboradores de la ESA, el documento técnico SciSpacE de la ESA “ROADMAP #11: Sistemas de soporte de vida bioregenerativos en el espacio: biotecnología espacial y agricultura espacial”, enumerados en orden alfabético: Giovanna Aronne, Alberto Battistelli, Eugenie Carnero. , Gisela Detrell, Claude-Gilles DUSSAP, Ramon Ganigue, Øyvind Jakobsen, Natalie Leys (Coordinadora), Veronica De Micco (Coordinadora), Stephania, De Pascale, Lucie Poulet, Rob Van Houdt, Cyprien Verseux, Siegfried E. Vlaeminck, Ronnie Willaert .

Departamento de Ciencias Agrícolas, Universidad de Nápoles Federico II, via Università 100, 80055, Portici (NA), Italia

Verónica De Micco, Chiara Amitrano, Giovanna Aronne y Stefania De Pascale

Unidad de Microbiología, Aplicaciones de Medicina Nuclear, Centro Belga de Investigaciones Nucleares (SCK CEN), 2400, Mol, Bélgica

Felice Mastroleo, Rob Van Houdt y Natalie Leys

Instituto de Investigación sobre Ecosistemas Terrestres Consejo Nacional de Investigación Viale Marconi 2, 05010, Porano (TR), Italia

Alberto Battistelli

Instituto de Sistemática, Evolución y Biodiversidad, Universidad de la Sorbona, Museo Nacional de Historia Natural, CNRS, EPHE, UA, 45, rue Buffon CP50, 75005, París, Francia

Eugenie Carnero Díaz

Instituto de Sistemas Espaciales, Universidad de Stuttgart, Pfaffenwaldring 29, 70569, Stuttgart, Alemania

Gisela Detrell

Universidad de Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Instituto Pascal, F-63000, Clermont-Ferrand, Francia

Claude-Gilles Dussap y Lucie Poulet

Centro de Ecología y Tecnología Microbiana, Universidad de Gante, Coupure Links 653, 9000, Gent, Bélgica

Ramon Ganigué

Centro de Investigación Interdisciplinaria en el Espacio (CIRiS), NTNU Social Research, Trondheim, Noruega

Øyvind Mejdell Jakobsen

Centro de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad (ZARM), Universidad de Bremen, 28359, Bremen, Alemania

Cyprien Verseux

Grupo de Investigación en Energía Sostenible, Tecnología del Aire y el Agua, Universidad de Amberes, 2020, Amberes, Bélgica

Sigfrido E. Vlaeminck

Grupos de investigación NAMI y NANO, Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, 1050, Bruselas, Bélgica

Ronnie Willaert

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VD, CA, FM, GA, AB, EC, SD, GD, CD, RG, OM, LP, RV, CV, SV, RW y NL desarrollaron el concepto de este documento de perspectiva. VD, CA, FM y NL desarrollaron una primera estructura del manuscrito. VD tomó la iniciativa en la coordinación y redacción; VD, CA, FM y NL escribieron partes específicas del manuscrito. Todos los autores brindaron comentarios críticos y ayudaron a dar forma al concepto y las perspectivas. Todos los autores revisaron y aprobaron la versión enviada del manuscrito.

Correspondence to Veronica De Micco.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

De Micco, V., Amitrano, C., Mastroleo, F. et al. La ciencia y la tecnología vegetales y microbianas como piedras angulares de los sistemas bioregenerativos de soporte vital en el espacio. npj Microgravedad 9, 69 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00317-9

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Recibido: 02 de febrero de 2023

Aceptado: 02 de agosto de 2023

Publicado: 24 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-023-00317-9

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