Живой звездолетКосмические системы, приборы и устройства на новых life-принципах

…Создавая технику нового поколения, необходимо ориентироваться на агрегаты и схемы, которые доказали свою работоспособность в течение тысячелетий.Инженерным инструментарием создания таких систем будут генная инженерия, клеточные технологии и синтетическая биология. Многие системы, устройства, а также материалы – будут живыми и нести с собой запрограммированные элементы функционирования, восстановления и жизненного цикла.Не вызывает сомнения, что создание словно живого (life-like starship) космического аппарата приведет нас к успеху. Вопрос лишь только в том, насколько он будет живой и как быстро мы сможем это сделать.

Government.fizteh.ru

DARPA: Столетний звездолет

Проект «Столетний космический корабль» был анонсирован в октябре 2011. Руководство программой взяло на себя DARPA) а курировать научную составляющую будет Исследовательский центр НАСА им. Эймса.

Идея проекта состоит в том, чтобы безвозвратно отправлять людей для заселения планет. Первым кандидатом на колонизацию является Марс. Если всё пойдёт по плану, первая партия добровольцев будет отправлена в 2030 году, что обойдётся примерно в $1 млрд.

Помимо Марса, перспективным называется освоение экзопланет с условиями, близкими к земным: по словам директора Центра им. Эймса Пита Уордена, проще генетически изменить человека, чем превратить Марс в копию Земли.

Однако путешествие корабля к дальним планетам займёт не одно десятилетие (что и отражено в названии проекта). Поэтому от претендентов на реализацию проекта ожидают прежде всего предложений по обеспечению выживаемости экипажа и поселенцев в течение долгого времени. Описания технологических, биологических, экономических, социальных и других аспектов задачи также приветствуются.

«Наша задача – вдохновить несколько поколений людей на исследовательскую деятельность и прорывные инновации в огромном диапазоне дисциплин – физике, математике, биологии, экономике, психологии, в социальных, политических и гуманитарных науках, а также в искусстве и образовании.Эта инициатива будет иметь не только гигантский культурный и научный результат, но и огромную экономическую выгоду для США – благодаря привлечению талантливых людей со всего мира заманчивой и эпохальной идеей достижения далеких звезд».

Эксперимент «Аквариум»

Цель:•Проведение космических исследований для решения вопросов фундаментальной биологии и создания перспективных биологических систем жизнеобеспечения (БСЖО) космических экипажей.•Получение данных о возможности длительного хранения покоящихся форм животных организмов (яйца низших ракообразных) и определения их способности к реактивации после экспонирования в условиях космического полета.

Задачи:•Исследование возможности длительного хранения покоящихся форм животных организмов, возможных компонентов микроэкосистемы, в условиях космического полета.•Определение процента реактивированных особей.•Проведение сравнительного анализа реактивированных особей из полетного и контрольного экспериментов.•Изучение участков генома (ДНК), ответственных за формирование и глубину диапаузы.•Исследование последовательности нуклеотидов и синтеза на соответствующих участках генома белков-адаптагенов и сигнальных белков, участвующих в стрессовом ответе и морфогенезе.

Инструменты синтетической биологии

Возможности life-like систем

Целлюлоза

Прородный газ

Сахар

Полиэтилентерефталат

Уголь«клеточноподобная»

фабрика

Инструкции и команды ДНК

Материал

сложного строения

Молекулы

Системы

Полимеры

Катализаторы

Электронные / оптические материалы

Реактивы

Топлива

Лекарства

Мультиклеточные объекты

Самовосстанавли-вающиеся системы

Бесклеточные системыСерийное производство в нужном месте, в нужное

время, и с необходимыми характеристиками.

Новый подход: отделение разработки от производства

SOA (сервис-ориентированная архитектура): узкоспециальный,

экспериментальный, дорогостоящий процесс

Много итераций Малые системы

Нет итераций

Большие системы

Цель: иерархическая инженерия

Унификация и модульный принцип представления участков генов и клеточных каркасовВыделение генетических функций и назначения отдельных генов для управления сложностью геномаРазделение разработки и производства

Пример такого подходаПрименение

Средства проектирования

Программирование клеток на высокоуровневом языке программирования и сборка генетического кода

Блоки и устройстваУнифицированные хорошо изученные блоки и устройства, то есть удобные для CAD-средств проектирования

Производство Автоматизированный синтез участков и сборка ДНК в унифицированном клеточном каркасе

Испытания и отладка Оперативное распознавание SNP с высокой производительностью и количественная оценка структуры клетки

Применение

Время (мес.)

Совместная разработка и производствоSOA

New Трансформация (3 нед.)

Идентификация/модификация потенциальных генов

Синтез ДНК

Испытания Отладка

Трансфектирование в клеточный каркас

Сборка возможным каскадом реакций

ДНК Трансформация +20х

Совместная разработка и производство

~10⁵ попыток

7 лет (SOA)

4 м

ес.

>20х

ите

раци

й

• Натуральные блоки не реализуют свой функционал за пределами своего природного ареала• Не все блоки существуют в естественном виде• Неизвестные правила проектирования • Отсутствует инструментарий создания надежных конструкций

Потребности в создании life-like систем

Ускорение развития биодизайна, биосборки и испытательных циклов, а также увеличение сложности биосистем, которые могут

быть собраны.Что необходимо Технологические вызовы

Средства проектирования, которые охватывают процессы от высокоуровневого описания до

сборки в клетке

Модульные генетические блоки, которые позволяют комбинированным биосистемам быть разработанными и воспроизводимо собранными

Быстрое построение, развитие и манипуляция генетическими данными в разработках

Процесс определения характеристик биосистемы и ее отладки, который связан с циклом

проектирования.

• Интероперабельные инструменты для разработки, моделирования и производства • Хорошо изученные, унифицированные и ортогональные свойствам друг друга генетические блоки• Масштабируемые, дешевые, с высокой точностью воспроизведения технологические процессы синтеза ДНК с коротким временем обработки• Испытательные платформы и каркасы, которые легко и предсказуемо объединяют новые генетические разработки• Обнаружение точного местоположения ошибок и определение характеристик структуры клетки

Этот список не является всеобъемлющим: по мере развития программы могут быть выделение и предложены и другие области научных исследований.

Открытая и удобная платформа для инженерной биологии.

Приборостроение life-like систем

(1) Средства проектирования, которые охватывают все процессы от высокоуровневого описания систем до циклов синтеза, включая моделирование автоматизированного производства клеток – обеспечение взаимодействия с инструментарием и базами данных разработки, моделирования и производства(2) Модульные генетические блоки, регуляторы, устройства и циклы (а также новые методы их исследования и усовершенствования), которые позволяют разрабатывать комбинированные системы, и обратимо собрать для увеличения эффективности, совершенствования и масштабирования для будущих проектов.(3) Быстрое создание, редактирование и манипуляция генетическими проектами, включая разработку доступных методов синтеза и сборки ДНК, модификацию и управление генетическими проектами в системах/каркасах, в том числе проектов, спроектированных для взаимодействия между различными системами и средами(4) Достоверные испытательные платформы, клеточноподобные системы и каркасы, которые собирают новые генетические проекты заранее спланированным способом (5) Определение системны характеристик и отладка синтетических генных сетей, которая готовит данные для внесения изменений в цикл проектирования

Космическоеlife-likeприборостроение

Life-like системы аппарата

1. Системы экстремальных состояний

2. Системы жизнеобеспечения

3. Регенеративные системы

4. Инженерные системы

Экстремофилы — совокупное название для живых существ (в том числе бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды (экстремально высокие/низкие температуры, чрезмерное давление и т. п.).

Источники биоблоков систем экстремальных состояний

термофилы способны переносить высокие температуры (+45… +113 °C)

психрофилы способны к размножению при сравнительно низких температурах (-10… +15 °C)

ацидофилы живут в кислотных средах (pH 1—5)

алкалифилы живут в щелочных средах (pH 9—11)

барофилы выдерживают сверхвысокое давление

осмофилы организмы, способные жить в растворах с чрезвычайно высокой концентрацией осмотически активных веществ и соответственно при высоком осмотическом давлении (например, микроскопические грибки, употребляющие мёд в качестве субстрата)

галофилы живут в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30 %

ксерофилы выживают при минимальном уровне влаги

Регенеративные технологии пилотируемой космонавтики

Проблемы Возможные life-like решения

Радиационное воздействие Радиопротекторы, сверэкспрессия генов стрессоустойчивости человека

Деминерализация костной ткани и мышечная

атрофия

Генетический отбор, метилирование генов, ответственных за остпопороз

Отек зрительного нерва, повреждения хрусталика

Генетический отбор, синтетические импланты, химерные органы

Повреждения внутренних органов

Регенеративная медицина, клеточная терапия

В процессе длительного полета самой важной задачей является сохранение жизни и здоровья космонавтов. В условиях невесомости, повышенной радиации, отсутствия магнитного поля и невозможности рассчитывать на стороннюю помощь, эта задача должна решаться с использованием всех имеющихся сейчас возможностей.

Life-like системы жизнеобеспечения

Клеточноподобные системы, основанные на достижениях синтетической биологии и инженерии, позволят создавать life-like системы жизнеобеспечения, аналогичные существующим сегодня на космических станциях (в некоторых случаях – дублирующих их).

1. Система обеспечения газового состава атмосферы (СОГС).2. Система водообеспечения (СВО)3. Система питания экипажа (СОП)4. Средства регулирования температуры и влажности атмосферы

(СРТ)5. Средства удаления и переработки отходов (СУО)6. Средства регулирования давления (СРД)7. Средства санитарно-бытового обеспечения (ССБО)8. Средства индивидуальной защиты экипажа (СЗ): — аварийно-

спасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие защиту экипажа в аварийных ситуациях — при разгерметизации отсека, возникновении пожара и т.п.

9. Система резервного электроснабжения

Проблемы инженерии(hard-life переход)

1. Технологии ампулизации клеточных культур

2. Технологии управления трансформацией клеток

3. Адаптивные технологии точных манипуляций (хирургические роботы, биопринтеры, специальные мембраны и т.д.)

4. Создание специальных сред – каркасов, биоинкубаторов и реакторов

5. Технологии исправления ошибок

План работ на 2012 год

1. Создание дизайн-центра проектирования живых систем для пилотируемых полетов -со специализированным gen CAD системами проектирования

2. Составление банка генетических биоблоков для life-like систем

3. Создание мокрой лаборатории синтетической биологии для получения первых образцов модифицированных организмов

Government.fizteh.ru