Na ISS se bude číst DNA

O tom, že je Mezinárodní vesmírná stanice nenahraditelnou vědeckou laboratoří, která nemá díky svým specifickým podmínkám konkurenci, není potřeba dlouze diskutovat. Na ISS už proběhlo mnoho experimentů z mnoha vědních oborů, ovšem věda má mnoho oborů a tak se stále ještě dočkáváme momentů, které nastávají poprvé.

V době, kdy vzniká tento článek, je na cestě k ISS soukromá zásobovací loď Dragon, která na své palubě nese více než 900 kilogramů vědeckých experimentů a jedním z nich je i zařízení pro vůbec první čtení DNA ve vesmíru. V tomto článku se ale podíváme i na další vědecké přístroje, které se již brzy dostanou do rukou posádky.

Pokud se Vám bude zdát, že je mezi experimenty více lékařských přístrojů, nemýlíte se. Souvisí to s přítomností americké astronautky Kathleen Rubins na palubě stanice. Jedná se totiž o špičkovou mikrobioložku a tak by byla škoda nevyužít takové příležitosti.

Mouse Epigenetics. Zdroj: spaceflight101.com

Mouse Epigenetics
Kompletní název tohoto japonského experimentu je „Transcriptome analysis and germ-cell development analysis of mice in the space“ a jeho úkolem je studovat změny v genech a struktuře DNA v orgánech pokusných myších samců, kteří stráví měsíc ve stavu beztíže. Jedná se o první experiment, při kterém se na ISS posílají živé myši, které se na Zemi vrátí živé. V dřívějších případech byly pokusné exempláře humánně usmrceny a vědci následně studovali pouze odebrané vzorky.

Tento experiment ale vrátí hlodavce živé, aby mohli vědci analyzovat změny v jejich dědičném kódu. Organismy vystavené vesmírnému prostředí jsou vystaveny množství stresových zdrojů – ať už je řeč o stavu mikrogravitace, nebo o kosmickém záření, které může ovlivňovat genetickou strukturu. Experiment zároveň počítá i s dlouhodobějším výzkumem. Myším, které se vrátí z kosmu, budou odebrány vzorky spermatu. Tyto pohlavní buňky pak dají vzniknout zárodkům, které budou vědci dále studovat.

Transportní a obytná část experimentu. Zdroj: spaceflight101.com

Experiment Mouse Epigenetics obsahuje 12 myší, které budou na ISS pobývat po dobu 30 dní. Po této době bude přístroj naložen opět do útrob lodi Dragon, která vzorky dopraví na Zemi. V laboratořích pak budou myši humánně usmrceny a jejich orgány budou podrobeny detailním rozborům. O odběru spermatu pro oplodnění in-vitro-jsme již psali. Analýza orgánů myších kosmonautů i jejich potomků pomůže odhalit zatím neznámé důsledky dlouhodobých efektů kosmických cest na molekulární úrovni.

Tento experiment bude probíhat v japonském zařízení Mouse Habitat, který se na stanici dostal vloni. Ten se skládá ze dvou hlavních sekcí. První z nich je hlavní skříň, ve které mohou hlodavci pobývat 30 – 180 dní, druhou část tvoří transportní sekce, ve které jsou zvířata umístěna při startu a letu ke stanici po dobu maximálně 10 dní. V této sekci se zvířata budou i vracet na Zemi. Mouse Habitat je součástí sestavy CBEF (Cell Biology Experiment Facility) v japonském modulu Kibó a nabízí hned dvě výzkumné sekce.

V první z nich bude pobývat šest myší, které budou zažívat všechny aspekty pobytu ve vesmíru, tedy záření i mikrogravitaci. Ve druhé bude otáčením centrifugového ramene vytvářena umělá gravitace. Tato odstředivka se zatím používala pouze pro rostliny, ale výsledky ukázaly, že se dá použít i pro vytvoření gravitaci pro malé savce. Porovnáním výsledků u obou skupin bude možné velmi snadno vyčíst rozdíly, které jsou způsobené čistě radiací a na čem má naopak podíl stav beztíže. Tento experiment se může označovat jako první, ve kterém budou savci vystaveni působení umělé gravitace.

Každá skříň má průměr zhruba 15 centimetrů a disponuje systémy, které zvířatům poskytují potravu a zajišťují cirkulaci vzduchu. Senzory v klecích zaznamenávají teplotu a vlhkost, ale také úroveň oxidu uhličitého a čpavku. Chování hlodavců budou sledovat i kamery, takže ze záznamů bude možné studovat i změny v chování zvířat. Mouse Habitat dokáže pojmout až 12 hlodavců najednou a šetří cenný čas posádky, která by se jinak musela věnovat pitvání a výběr vzorků. O to se postarají specialisté na Zemi, kteří budou mít k dispozici i mnohem přesnější systémy pro analýzu vzorků na buněčné a biochemické úrovni.

Biomolecule Sequencer. Zdroj: spaceflight101.com

Biomolecule Sequencer
Experiment, který dal název i celému našemu článku. Jedná se o novátorský pokus, který má otevřít dveře k nové úrovni výzkumu na palubě ISS. Stanice by tak mohla využívat nových metod k hlubšímu výzkumu a lepšímu pochopení reakcí organismů na změny při vesmírných misích. Cílem experimentu není nic menšího, než první sekvenování DNA ve vesmíru. Pokud by se tato metoda osvědčila, bylo by možné provádět analýzu přímo na stanici a výsledky jednoduše ve formě dat odeslat na Zemi. Za současného stavu se musí dolů posílat celé vzorky, které jsou potom přečteny v laboratořích.

Zařízení má opravdu kapesní rozměry

Čtení DNA na stanici bez přehánění otevírá dveře do nové éry, která nabízí široké možnosti využití – od identifikace mikroorganismů, přes diagnostiku nemocí až po zlepšení života členů posádky při dlouhých misích. Pokud se tato brána otevře, pak už nebude problém provádět čtení DNA kdekoliv ve vesmíru. V současné době ISS nedisponuje žádným úsekem, který by umožňoval výzkum molekulární biologie. Tento obor je přitom považován za velmi důležitý z mnoha důvodů. Jedním z nich je třeba operativní možnost prozkoumat prostředí na stanici tím, že posádka identifikuje mikroorganismy získané např. ze stěrů stěn. Význam pro nejrůznější biologické experimenty asi není potřeba zdůrazňovat.

Biomolecule Sequencer. Zdroj: spaceflight101.com

Přístroj, který míří na stanici, je spíše jen experimentálním zařízením, které má ověřit funkčnost čtení DNA v mikrogravitaci, ale i to, jak posádka může přístroj ve stavu beztíže obsluhovat. Zatímco běžná zařízení vyvinutá pro sekvenování DNA používají metodu polymerázové řetězové reakce, Biomolecule Sequencer určuje sekvence nukleotidů individuálních molekul vkládané DNA bez primerů specifických pro daný cíl. Primer je řetězec nukleové kyseliny, který slouží jako startovní bod pro syntézu této makromolekuly.

Díky tomu, spíše než detekce specifických cílů, přístroj umožní získat data o celém vzorku, takže bude možné zkoumat DNA z širokého spektra organismů. Srdcem přístroje je MinION, vlastní sekvenční zařízení o velikosti běžného flash disku (9,5 × 3,2 × 1,6 cm). Celý přístroj váží jen 120 gramů a přes nanometrové póry prochází vlastní vlákna DNA ze zkoumaných buněk. Procházející vlákno je přitom měřeno a přístroj určuje pořadí jednotlivých nukleotidů. Běžný proces bude touto přístroji trvat 48 hodin a nasbíraná data se přenesou přes USB port a následně se odešlou na Zemi.

Přístroj bude využit pro sekvencování DNA virů, bakterií a myší. Pokud bude čtení úspěšné, bude zařízení kvalifikováno pro použití na palubě stanice, kde bude sloužit především pro identifikaci mikroflóry ISS, ale i pro výzkum krátkodobých i dlouhodobých změn v DNA u zkoumaných vzorků.

Phase Change Heat Exchanger

Phase Change Heat Exchanger. Zdroj: spaceflight101.com

Zkráceně se tento experiment označuje jako PC HX. Jeho úkolem je ověřit nový typ tepelného výměníku, který by mohl najít uplatnění na budoucího kosmických lodích. Nový systém by měl umožnit lepší regulaci teplot a může najít uplatnění i při vědeckých experimentech, kdy je potřeba navodit třeba teploty pod bodem mrazu. Výhodnou tohoto systému je, že se dá podle potřeby zvětšovat či zmenšovat a jeho používání je snadné.

Princip, na kterém PC HX funguje je založen na ukládání energie tavením materiálu horkým chladícím médiem. Materiál je poté ochlazen vypuzením tepla přes radiátory kosmické lodi. Experiment má demonstrovat funkčnost tohoto systému při různých teplotách a tlacích s mnoha tajícími cykly. Hlavním cílem je ověření funkčnosti tohoto principu v podmínkách mikrogravitace.

Experiment bude uložen v EXPRESS racku, který bude dodávat energii, zajistí napojení na datové linky stanice, ale i na její chladící okruh. V systému cirkuluje voda s propylenglykolem a najdeme zde i termální elektrický chladič (TEC – Thermal Electric Cooler), který zajišťuje chlazení kapaliny na -10°C, která poté zmrazí chladič. Páskové ohřívače jsou uloženy v TEC, aby mohly poskytnout tepelnou kontrolu až do +30°C, což rozpustí chladič.

Tepelný výměník s mikrotrubičkami. Zdroj: spaceflight101.com

Odpadní teplo rozpustí chladič a dojde k vyzáření této energie přes radiátory. Díky tomu se chladič opět dostane do tuhého stavu. Podobné systémy se testovaly už na programu Apollo a Skylab, ale poskytovaly nekonzistentní výsledky – tehdy se jako chladič používal vosk. Systémy na bázi vody mají výhodu v úspoře prostoru, jelikož voda má velkou tepelnou kapacitu. Vodní tepelné výměníky se ale nikdy ve vesmíru netestovaly. Nesou s sebou totiž i pár problémů, mezi které patří nutnost řešit objemové změny spojené s přechodem z ledu na vodu.

Problémy s rozpínáním mrznoucí vody řeší tepelný výměník s mikrotrubičkami, jehož vývoj právě probíhá. První PC HX se bude testovat s voskem a později se přejde na vodní systém. Experiment bude fungovat minimálně po dobu jednoho měsíce, během kterého se ověří funkčnost systému i při opakovaných tavicích cyklech.

Obarvené osteoblasty a osteoklasty při 48hodinové magnetické levitaci. Zdroj: spaceflight101.com

OsteoOmics
Kompletní název tohoto experimentu je „Gravitational Regulation of Osteoblast Genomics and Metabolism“ a jeho cílem je ověřit, zda magnetická levitace může simulovat podmínky volného pádu v mikrogravitaci. Experiment bude porovnávat kostní buňky ze dvou vzorků. Zatímco první várka poletí na ISS a zažije skutečnou mikrogravitaci, druhá zůstane na Zemi a bude vystavena magnetické levitaci.

Následné identifikování molekulárních změn, které nastaly v buňkách vystavených magnetické levitaci pomůže vědcům prozkoumat výhodnost podobných zkoušek na Zemi ve srovnání s testy na oběžné dráze. Experiment necílí na kostní buňky náhodou. Cílem je lépe prozkoumat principy ztráty kostní hmoty, což je problém, který trápí miliony lidí na Zemi.

Pozemní část experimentu používá magent o magnetické indukci 17 Tesla. Zdroj: http://www.nasa.gov/

Některé choroby se projevují nerovnováhou mezi buňkami, které tvoří kosti a buňkami, které je naopak ničí. Tento stav můžeme sledovat například u pacientů dlouhodobě upoutaných na lůžko, ale také u astronautů. Studie mechanismů, které vedou ke ztrátě kostní hmoty může naznačit cesty na úrovni genů a proteinů, což může vědcům pomoci při rozhodování, na co se zaměřit při dalším výzkumu.

Studium fyziologie kostí vystavených magnetické levitaci nabízí možnost využít nový typ prostředí při výzkumu na Zemi. je ovšem potřeba ověřit, zda se výsledky shodují s tím,co se děje při skutečném volném pádu na oběžné dráze. Průzkum osteoblastů a osteoklastů pak může naznačit další směřování celého odvětví. oba typy buněk se na ISS dopraví podchlazené na -80°C. Po aktivaci budou umístěny do CGBA (Commercial Generic Bioprocessing Apparatus), kde budou mít tělovou teplotu 37°C. Po dobu 30 dní bude zajištěna automatická výměna média jednou za několik dní. Systém zajistí i fixaci vzorků ve třech intervalech – po šesti, deseti a třiceti dnech. Souběžně bude na Zemi běžet kontrolní pokus, při kterém budou kostní buňky vystaveny magnetické levitaci. Oba typy budou následně po návratu porovnány.

Přístroj SABL Zdroj: http://www.colorado.edu/

Heart Cells
Tento název je pouze zkráceninou kompletního označení „The Heart Cells Study – Effects of Microgravity on Stem Cell-Derived Cardiomyocytes“. Cílem tohoto experimentu je prozkoumat negativní účinky na srdeční systém, které pociťují astronauti během kosmických misí. Dnes již víme, že dlouhodobé vystavení těla stavu beztíže vede (kromě jiného) k oslabení srdcí. Negativní vlivy totiž ovlivňují to, jak se srdeční tkáň stahuje, roste a mění. Tento experiment by měl tyto změny prozkoumat přímo ve stavu mikrogravitace, stejně tak by mohl pomoci pochopit, proč se tyto změny liší mezi jednotlivými subjekty.

Kmenová buňka Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Pokud lépe pochopíme, jak se srdeční svalové buňky (kardiomyocysty) ve vesmíru mění, získáme znalosti, které můžeme použít při studiu srdečních chorob. Dalším přínosem může být vývoj nových léků, nebo terapií, které by se mohly použít při budoucích kosmických letech, ale i pro léčbu lidí na Zemi. Funkčnost srdečních buněk se bude zkoumat in vitro. Z logických důvodů by bylo nejlepší k testu použít lidské srdeční tkáně, ale ty se obtížně shání a bylo by riskantní je udržet ve vhodných podmínkách při startu a letu ke stanici. Tkáně ze zvířecích srdcí se od těch lidských liší a nedají se použít pro tento výzkum.

Experiment Heart Cells proto použije buňky odvozené z lidských pluripotentních kmenových buněk hiPSCs (human induced pluripotent stem cells), které se ukázaly jako novátorská metoda terapie v kardiovaskulární medicíně. Buňky pro tento experiment byly získány od širokého spektra dárců, kterým byl odebrán vzorek kůže. Tyto buňky pak byly navráceny do kmenové fáze.

V rámci experimentu letí na stanici tři testovací subjekty a tří opakování pro každý subjekt, celkem se tedy jedná o 18 vzorků, které budou na ISS kultivovány po dobu jednoho měsíce. Vzorky budou při transportu i při pobytu na stanici uloženy v prostředí s tělesnou teplotou 37°C a 5% koncentrací oxidu uhličitého. Šest vzorků bude na ISS před návratem ochlazeno na 4°C, zatímco zbytek se vrátí při běžné tělové teplotě. Na Zemi pak odborníci prozkoumají stav buněk, které se vrátí z ISS.

Interiér zařízení SABL. Zdroj: spaceflight101.com/

Tento experiment bude probíhat v útrobách SABL (Space Automated Bioproduct Lab), což je nové zařízení pro biologické experimenty. Mohou zde probíhat základní, aplikované i komerční výzkumy zaměřené na biologické spektrum. V tomto zařízení mohou astronauti kultivovat vzorky bakterií, kvasinek, řas, virů, živočišných buněk, drobných živých organismů a malých rostlin.

SABL disponuje využitelným objemem 22,8 litru v 18 sektorech. Jeho rozměry jsou 41,9 × 27,9 × 19,4 cm a dovoluje nastavit teplotu -5°C až +43°C – o kontrolu teploty se stará vodní okruh a elektrické ohřívače. Zařízení SABL umožňuje astronautům snadnou výměnu vzorků bez nutnosti řešit přepojování konektorů. Zařízení se dá ovládat pomocí velkorozměrového dotykového panelu (první svého druhu, jaký kdy letěl na ISS). Jednotlivé sektory mohou být snímány kamerou s vysokým rozlišením a tato data poslouží k detailnímu zkoumání sledovaných procesů.

Princip systému AIS. Zdroj: spaceflight101.com/

Maritime Awareness
Tento systém se označuje také jako GLASS (Global AIS on Space Station) a právě nyní k ISS letí experimentální terminál určený k automatickému sledování lodí, které brázdí světové oceány. Tento terminál dokáže nahrávat signály, které na frekvencích VHF vysílají plavidla. Automatický identifikační systém AIS (Automatic Identification System) používají lodě k výměně informací o identifikaci, pozici, kursu a rychlosti plavidla. Díky tomu je možné monitorovat pohyb lodí a zároveň předcházet jejich kolizím. Pokud dojde k náhlé změně rychlosti, což většinou značí srážku, může systém automaticky vyslat nouzový signál.

Pohyb lodí za jediný den – 29. července 2010. Zdroj: http://www.nasa.gov/

Signály si mohou lodě vyměňovat mezi sebou, ale mohou je posílat i na pobřežní stanice. Tímto způsobem se dá obsloužit pouze lokální oblast v blízkosti pobřeží. Na volném moři je vzhledem k zakřivení Země nemožné dohlédnout k žádnému příjemci. Pomoc však může přijít shora. Když se terminály systému AIS pošlou do vesmíru, mohou družice snadno pokrýt velkou plochu moří a oceánů. Zachycená data se pak posílají do pozemních středisek. Kvůli velké ploše, kterou družice pokryjí, může se z překrývání a kolizí signálů stát problém – především na frekventovaných trasách. Celý systém tak potřebuje vylepšení přijímací technologie, která dokáže oddělit různé signály.

Projekt GLASS dopraví na ISS přijímač systému AIS, který dokáže odpovídat na mnoho požadavků. Systém dokáže zpracovávat simultánně informace od mnoha uživatelů. Program by měl fungovat minimálně jeden rok, během kterého bude GLASS uložen v Express racku číslo 3.

Gumstix. Zdroj: spaceflight101.com

Gumstix
Účelem projektu s celým názvem „NanoRacks-Evaluation of Gumstix Performance in Low-Earth Orbit“ je vypustit na ISS malé počítače označované jako moduly Gumstix, které budou zkoumat vliv radiace na nízké oběžné dráze na elektroniku. Počítače by měly přežít úroveň radiace na ISS a v konečném důsledku by mohly stát na začátku alternativní možnosti použití běžné výpočetní techniky ve vesmíru.

Experiment vyhodnocuje celkový počet softwarových chyb v elektronice a výskyt SEU. Systém zároveň bude vyhodnocovat dobu provozu každého modulu a ověří, zda dosahuje očekávané životnosti pro budoucí systémy, které by používaly tuto technologii. Samotné moduly Gumstix jsou malé počítače na bázi Linuxu, které jsou energeticky úsporné a používají aktuální generaci procesorů, což je v kontrastu s používáním speciálních počítačů se zvýšenou radiační odolností, které najdeme na kosmických lodích dnes. Nevýhodou těchto stíněných procesorů je, že za aktuálním vývojem zaostávají o několik generací. Projekt Gumstix by tak měl ověřit, jak by si v podmínkách ISS vedla běžná elektronika a zda by pro ni byla radiace problém.

Jednotlivé moduly budou umístěny na vnějším plášti stanice, kde stráví šest měsíců. Pokud spějí, mohou otevřít cestu ke stavbě malých levných družic, které by využívaly levnější elektroniku a mohly by sloužit třeba ke komunikaci, nebo k dálkovému průzkumu Země.

NanoRacks Nano Tube Solar Cell. Zdroj: spaceflight101.com

NanoRacks Nano Tube Solar Cell
Experiment s celým jménem „NanoRacks-Earth Abundant Textured Thin Film Photovoltaics“ zkoumá nové typy trojrozměrných solárních panelů, který poskytuje vyšší efektivitu v konverzi mezi množstvím slunečního záření a získané elektrické energie. Cílem experimentu je studovat chování nových solárních panelů v prostředí, kde se neustále mění pozice Slunce a tím pádem i úhel dopadajících paprsků. Stejně tak se bude zkoumat chování nové technologie v prostředí zvýšené radiace.

Uhlíkové nanotrubičky jsou složeny do textury fotovoltaických buněk a používají CZTS (sulfid měďnato-zinkovo-cínový) jako médium pohlcující světlo. I v tomto směru je vidět změna – technici se snaží odklonit od toxického a vzácného telluridu kadmia. Experiment má ověřit optimální rozložení všech prvků ve vrstvách, ve kterých jsou složeny. Stejně tak se bude studovat i degradace jednotlivých solárních buněk během jejich pobytu na stanici. Tím, že se na ISS neustále mění úhel dopadajících slunečních paprsků, bude možné detailně prozkoumat elektrickou charakteristiku celého systému.

NanoRacks Nano Tube Solar Cell. Zdroj: spaceflight101.com/

Trojrozměrné solární buňky mají vlekou výhodu v tom, že se dají vyrábět odspoda nahoru, tedy na kovových fóliích a umožní vznik lehkých a ohebných solárních panelů. Tradiční solární panely naopak vznikají vzhůru nohama a jsou neohebné, protože musí být kryté sklem. Další výhodou nových solárních panelů je jejich účinnost generování elektřiny i při úhlech osvětlení, které nejsou nominální. Když družcie nebudou potřebovat systém, který by panely otáčel ke Slunci, dojde k úspoře hmotnosti.

Za tento jev vděčíme trojrozměrné struktuře vertikálně srovnaných uhlíkových nanotrubiček, které umožňují mnoho fotonových srážek i při neoptimálním úhlu osvětlení. Díky tomu může solární panel pohltit více fotonů a tím pádem vyprodukovat více energie. Experiment bude uložen na plošině NREP (NanoRacks External Platform), která je součástí vnější plošiny japonského modulu Kibó. Systém bude měřit proud a napětí, ale i teplotu jednotlivých solárních buněk a zaznamenáván bude i sluneční úhel.

Nádrž NORS. Zdroj: http://www.spaceflight101.com/

NORS
Tomuto systému jsme se věnovali v článku o nákladu v lodi Dragon, která k ISS zamířila vloni v lednu. Pravidelní čtenáři tedy již vědí, že NORS je zkratka z Nitrogen/Oxygen Recharge System, která označuje nový systém zásobování stanice vzduchem pomocí soukromých zásobovacích lodí. Dříve byla dýchatelná atmosféra na ISS zajišťována dodávkami evropských lodí ATV a ruskými Progressy. Ovšem ATV odešlo vloni do důchodu a Progressy by byly na všechno samy.

Systém NORS proto počítá s vypouštěním tlakových nádrží, ze kterých budou astronauti vypouštět plyn, který obnoví tlak na palubě stanice. Jakmile se nádrž vyprázdní, pošle se k Zemi pro naplnění a znovupoužití. Systém NORS je schopen zajistit dýchatelnou atmosféru na ISS i pokud by primární systém selhal. Každá nádrž NORS měří na délku 90 centimetrů a v průměru měří 53 centimetrů, což ve výsledku dává hmotnost 109 kg. Každá nádrž může být naplněna kyslíkem, nebo dusíkem. Nádrže se tlakují na 400 barů, což je proti minulým nádržím tlak téměř dvojnásobný. Celkově se počítá s výrobou 37 kusů, které bude možné použít opakovaně.

Tolik tedy představení nákladu, který nese loď Dragon. Asi jste si ale všimli, že v článku není zmínka o ostře sledovaném adaptéru IDA, který se ukrývá v zadní nehermetizované části lodi. Tomuto tématu se budeme na našem webu věnovat v samostatném článku.

Zdroje informací:
http://spaceflight101.com/