Quelle: Universität Bremen Lucie-Patrizia Arndt 5. September 2024.

5. September 2024 – Verseux untersucht in seinem Projekt, wie Cyanobakterien genutzt werden können, um Langzeit-Marsmissionen nachhaltig zu gestalten, indem sie die Crew dauerhaft mit lebensnotwendigen Verbrauchsgütern versorgen. Denn selbst, wenn wir Menschen uns auf das absolut Notwendige beschränken, brauchen wir doch einiges zum Überleben – Sauerstoff und Nahrung zum Beispiel.

Halten wir uns an entlegenen Orten auf der Erde auf, dann bringen wir ausreichend Vorräte mit; im Weltraum werden die Astronaut:innen an Bord der Internationale Raumstation ISS regelmäßig mit Hilfe von Frachtkapseln versorgt. Doch wenn wir zum Mars wollen, sind weder große Vorräte noch ein kontinuierlicher Nachschub möglich. Der Transportweg ist zu riskant und die Kosten zu hoch. Die Lösung liegt somit darin, aus vor Ort vorhandenen Rohstoffen lebensnotwenige Verbrauchsgüter herzustellen.

Dr. Cyprien Verseux hat bereits nachgewiesen, dass manche Cyanobakterien in der Lage sind, aus den natürlichen Ressourcen des Mars Sauerstoff und Biomasse zu produzieren. Erste Forschungsergebnisse erzielte er im Laboratory of Applied Space Microbiology (LASM), welches er am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen leitet.

Die große Frage ist nun: Wie kann dies auf effiziente Art und Weise gelingen? Dazu ist ein besseres Verständnis davon notwendig, wie Cyanobakterien auf zellulärer und molekularer Ebene die Mars-Ressourcen verstoffwechseln. Unter anderem soll dies durch Laborexperimente mit einer eigens entwickelten Apparatur untersucht werden, in der wenig mehr als die Rohstoffe aus dem Marsboden und der Marsatmosphäre verwendet werden. Zusätzlich zur Laborarbeit sollen mathematische Modelle entwickelt werden, die die Wachstumsraten, Produktivität und Effizienz der Bakterienkulturen vorhersagen.

Das Starting Grant des European Research Council eröffnet Cyprien Verseux und seinem Forschungsteam neue Möglichkeiten – insbesondere durch die Einrichtung von zwei Promotionsstellen. „Mit unserem Projekt ,MarCyano‘ möchten wir zwei Ziele erreichen. Zum einen wollen wir grundlegende Erkenntnisse darüber erhalten, wie die Cyanobakterien auf Umgebungsbedingungen reagieren, die für sie ,fremd‘ sind, wenn sie beispielsweise einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die auf der Erde nicht existiert. Zum anderen sollen Lösungen entwickelt werden, die dazu beitragen, die Erkundung des Mars durch den Menschen nachhaltig zu gestalten“, erklärt der Wissenschaftler.

Verseux und sein Team befassen sich jedoch nicht nur mit Nachhaltigkeitskonzepten bei Langzeit-Marsmissionen. Ihre Erkenntnisse und entwickelten Systeme werden sie auch in neue Denkansätze und Technologien übersetzen, die einem nachhaltigeren Umgang mit natürlich vorhandenen, aber zunehmend knapper werdenden Ressourcen auf der Erde dienen.

Verseux ist Mitglied der Initiative „Humans on Mars“ und am Antrag für das Exzellencluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ der Universität Bremen beteiligt. Seine Expertise fließt in das interdisziplinäre wissenschaftliche Team ein, dessen Forschung nun dazu beitragen könnte, der Universität Bremen erneut den Exzellenzstatus zu sichern.

Über Cyprien Verseux:
Der französische Biologe Dr. Cyprien Verseux forscht seit 2019 am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen. Dort baute er das „Laboratory of Applied Space Microbiology“ (LASM) auf, dessen Leiter er heute ist. Zuvor promovierte er mit dem Schwerpunkt Astrobiologie an der Universität Rom II, Italien, und am NASA Ames Research Center in Kalifornien, USA.

Er selbst verfügt über eigene Erfahrungen mit Explorationsmissionen in abgelegenen Gebieten: 2018 leitete er die französisch-italienische Concordia-Forschungsstation in der Antarktis. Dort verbrachte er ein Jahr, einschließlich der Wintermonate, in denen die Temperaturen auf bis zu minus 80 °C sinken können und monatelange Dunkelheit herrscht. 2015 nahm er am Marssimulationsprojekt HI-SEAS der NASA teil und lebte zusammen mit fünf Wissenschaftler:innen für ein Jahr isoliert in einer „Marsstation“ an den kargen Hängen des Mauna Kea Vulkans auf Hawaii, USA.

Seine wissenschaftliche Leistung wurde 2019 bereits mit einem Forschungsstipendium der renommierten Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet

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• Ehrungen

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Quelle: ESA 11. September 2023.

11. September 2023 – Die multizellulären Biofilme, die in Kombucha vorkommen, haben sich als vielversprechend erwiesen. Insbesondere wenn es um das Überleben in rauen Umgebungen auf der Erde geht. Daher haben Wissenschaftler*innen das Potenzial der Mikroorganismen untersucht, die extremen Bedingungen im Weltraum zu überstehen. Sie werden sogar als Biofabriken in Betracht gezogen, um selbstversorgende Lebenserhaltungssysteme für zukünftige Weltraumsiedlungen zu entwickeln.

Kombucha im All
In der Expose-Einrichtung der ESA wurden Experimente auf der Internationalen Raumstation durchgeführt, um herauszufinden, ob und wie Bakterien im Weltraum und unter simulierten Bedingungen auf dem Mars überleben können.

Die Proben wurden an der Außenseite der Raumstation platziert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Mikroorganismus, ein Cyanobakterium, in der Lage war seine DNA zu reparieren und die Zellteilung fortzusetzen, nachdem er kosmischer Strahlung ausgesetzt war. Er widerstand sogar den zerstörerischen Eisenionen, die erhebliche Zellschäden verursachen.

Bei vielen Lebewesen regenerieren sich Gewebe wie die menschliche Haut oder bakterielle Biofilme, indem sie sich durch Zellteilungen ständig vermehren. Die Art und Weise, wie diese Zellen ihre Teilung stoppen, bis sie ihre DNA-Schäden behoben haben, ist nach wie vor ein Geheimnis. Forscher*innen vermuten, dass ein bestimmtes Gen – das sulA-Gen – hierbei ausschlaggebend sein könnte. Das sulA-Gen fungiert wie ein Verkehrssignal für Zellen. Es hält die Zellteilung an, bis die Zellen ihre DNA repariert haben, ähnlich wie eine rote Ampel Autos zum Anhalten auffordert. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil des Sicherheitssystems einer Zelle. Dieser stellt sicher, dass mögliche Schäden behoben werden, bevor sich die Zellen weiter vermehren.

Ein weiteres Experiment zeigte, dass Zellcluster einen Mikrolebensraum für kleinere Spezies bieten. Das bedeutet, dass einige Zellen innerhalb größerer Zellgruppen, die diese kosmischen Reisenden schützen, im Weltraum mitreisen könnten.

Der Planetenschutz umfasst eine Reihe von Maßnahmen, die verhindern sollen, dass schädliche biologische und chemische Kontaminationen von der Erde auf andere Planeten, Monde oder Himmelskörper gelangen und umgekehrt. Durch Experimente wie diese können wir verstehen, wie Zellzusammenschlüsse und Biofilme sich vor den extremen Bedingungen im Weltraum schützen, um eine Kontamination zu verhindern und so die Reinheit von Weltraummissionen zu wahren. Darüber hinaus könnten sie auch dazu verwendet werden Organismen auf längeren Reisen durch den Weltraum abzuschirmen.

Mikroben können zudem ein wertvolles „Strahlungsmodell“ darstellen. Wenn Forscher*innen verstehen, wie diese Mikroorganismen auf Strahlung reagieren, können sie Erkenntnisse gewinnen, die zum Verständnis und zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und des Wohlbefindens beitragen. Dazu gehört auch die Entwicklung von Strahlenschutzstrategien für Astronaut*innen im Weltraum.

Auf zum Mond und ab zum Mars
Zukünftige Artemis-Missionen zum Lunar Gateway könnten die Kultivierung von Mikroorganismen auf dem Mond beinhalten.

Petra Rettberg, Leiterin der Astrobiologie-Gruppe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) betont: „Die Kulturen zeigen ein großes Potenzial, um die langfristige menschliche Präsenz auf dem Mond und dem Mars zu unterstützen.“

„Dank ihrer Fähigkeit, Sauerstoff zu produzieren und als Biofabriken zu fungieren, könnte diese Biotechnologie künftige Weltraummissionen und die Erforschung des Weltraums durch den Menschen erheblich verbessern“, fügt Nicol Caplin, ESA-Wissenschaftlerin für Weltraumforschung, hinzu.

„Ich hoffe, dass unsere Proben in Zukunft am Lunar Gateway angebracht werden oder sogar auf der Oberfläche des Mondes und darüber hinaus eingesetzt werden können. Bis es soweit ist, werden wir weiterhin die Möglichkeiten unserer Biokulturen erforschen.”

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Hochschule Kaiserslautern 6. März 2023.

6. März 2023 – Mit zwei internationalen Veröffentlichungen im Fachjournal „Frontiers in Astronomy and Space Sciences“ hat die Hochschule Kaiserslautern aktuell auf sich aufmerksam gemacht. Darin beschreiben Dr. rer. nat. Michael Lakatos und Dr. rer. nat. Patrick Jung vom Standort Pirmasens die mögliche Adaptierung von Leben an sehr unwirtlichen Orten. Und zwar sowohl auf der Erde als auch im Weltall. Sie untersuchen, wie diese extremophilen Organismen genutzt werden können.

Die Arbeitsgruppe „Integrative Biotechnologie“ um Lakatos und Jung arbeitet an Mikroorganismen, die in extremen Lebensräumen überleben. Diese Mikroorganismen weisen häufig außergewöhnliche Eigenschaften auf, die in der Biotechnologie oder Pharmazie als Wert- und Wirkstoffe gefragt sind. Auf der Suche nach neuen Organismen reisen die Forscher aus Pirmasens an unwirtliche Lebensräume wie Wüsten oder Höhlen. Dort isolieren sie Mikroorganismen, die sich beispielsweise an Trockenheit oder wenig Licht angepasst haben. Die isolierten Organismen werden charakterisiert und auf ihr biotechnologisches Potential hin erforscht.

Vor allem haben die beiden Wissenschaftler dabei Flechten, Algen und Cyanobakterien im Blick. Cyanobakterien – früher Blaualgen genannt – sind Bakterien, welche die oxygene Fotosynthese vor 3,5 Milliarden Jahren entwickelt haben. Sie produzieren aus Licht, Wasser und CO₂ den lebensnotwendigen Zucker und Sauerstoff. Mit dieser Fotosynthese haben Cyanobakterien nicht nur die Sauerstoffatmosphäre der Erde geformt, sondern auch die Grundlage allen pflanzlichen Lebens gelegt. „Unsere Forschung beschäftigt sich mit austrocknungstoleranten Organismen aus Extremstandorten. Zuletzt wurde ich auf internationalen Fachtagungen immer wieder darauf angesprochen, ob denn unsere Erkenntnisse nicht auch relevant für die Astrobiologie sein könnten“, sagt Jung. Von dieser Fragestellung beseelt, beleuchtet nun das Team der Hochschule Kaiserslautern zusammen mit verschiedenen internationalen Forschern aus den renommierten Institutionen Astroland Agency (Spanien), Freie Universität Berlin, Corporación Nacional Forestal (Chile), Universität Graz (Österreich), Philipps-Universität Marburg, Ludwig-Maximilian-Universität München, Universität Neuchâtel (Schweiz), Universität Santiago (Chile), Universität Tübingen, Universität Verona (Italien) in gleich zwei Fachpublikationen mögliche Anwendungen dieser extremophilen Organismen auf anderen Planeten.

Einer der Artikel behandelt die Nutzung einer von Jung erst kürzlich entdeckten Lebensgemeinschaft aus winzigen Flechten, Grünalgen, Cyanobakterien und Pilzen. Diese bedeckt quadratkilometerweise den steinigen Boden der küstennahen Atacama-Wüste. Die sogenannte „Grit Crust“-Lebensgemeinschaft eignet sich als neues und spannendes Modell zur Erforschung früher Lebensformen. Unter Umständen könnte man diese auf anderen Planeten ansiedeln und ihr partnerschaftliches Zusammenwirken nutzen. Denn sie existiert in einer Landschaft, der man immer wieder Bedingungen attestiert, die auch auf dem Mars herrschen.

Der zweite Artikel fokussiert hingegen nicht auf wüstentypische Trockenheit und starke UV-Strahlung, sondern auf sehr wenig Sonnenschein. Besonders in Höhlen erschwert mangelndes Licht das Überleben von Bakterien und Co. Andererseits taugen die zahlreichen Höhlensysteme auf dem Mars und anderen planetaren Gesteinskörpern als Schutz für Menschen. Sie überleben nur in vor Strahlung und starken Temperaturschwankungen geschützten Bereichen.

Für die Kolonisierung anderer Planeten können außerdem nur einfachste Ressourcen, die optimalerweise regenerativ sind, genutzt werden – und auch sie nur in geringstmöglichen Mengen. Eine denkbare Lösung: In den Grotten liefern Schwachlicht-adaptierte Mikroorganismen durch biotechnologische Verfahren kontinuierlich verschiedenste, ressourcenschonende Produkte wie z. B. Lebensmittel oder sogar Bausubstanzen. Genau solche Cyanobakterien haben die Forscher der Hochschule Kaiserslautern nun zusammen mit Kollegen aus Deutschland, Italien und Spanien gefunden. In ihrem neuen Artikel beschreiben die Forschenden die zahlreichen Einsatzmöglichkeiten dieser spezielleren Cyanobakterien im Kontext der Astrobiologie.

Einige der gefundenen Arten bilden z. B. Hüllen aus Kalziumkarbonat. Damit lässt sich Beton herstellen. Eben diese Höhlenbakterien produzieren auch Bioplastik-Komponenten. „Wir hoffen, dass wir mit der Einführung dieser neuen Modelle, also der Grit Crust der Atacama Wüste und den Höhlencyanobakterien, neue Impulse für die Astrobiologie geben können. Gerade jetzt, wo das einzigartige James Webb Teleskop und die neuen Rover auf dem Mars unsere Wissen über das Universums ständig erweitern,“ so Jung.

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• Leben im Universum

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Quelle: ZARM 10. August 2022.

10. August 2022 – Die karge Umgebung des roten Planeten scheint auf den ersten Blick wenig nutzbare Ressourcen für ein Lebenserhaltungssystem oder die Produktion von Nahrungsmitteln bereitzuhalten. Doch die kohlenstoffreiche (95 %), stickstoffhaltige Atmosphäre und der rote Regolithboden – reich an Eisen, anderen Metallen und Mineralien – sind für genau solche Bioprozesse geeignet; und der Schlüssel dazu sind Cyanobakterien: Während sie auf der Erde häufig als lästige Blaualgen in Erscheinung treten und uns das Badevergnügen im Sommer verderben, sind sie mit Blick auf den Mars als wahre Lebenskünstler zu bewerten. Gefüttert mit Marsstaub und Marsatmosphäre und durch ihre Fähigkeit zur Photosynthese, sind Cyanobakterien in der Lage, Sauerstoff zu produzieren und Biomasse zu bilden, was in der astronautischen Exploration verschiedensten Zwecken dienen könnte – wie zum Beispiel der Herstellung von Nahrungsmitteln.

„Damit Menschen auf dem Mars überleben können, muss ihnen eine große Menge an Versorgungsgütern zur Verfügung stehen: Nahrungsmittel, Wasser, Sauerstoff, aber auch andere Dinge wie Medikamente. Für einen dauerhaften und nachhaltigen Aufenthalt dort kann der lebenswichtige Nachschub jedoch nicht fortlaufend von der Erde kommen, die Transportkosten und -risiken zum Mars sind einfach zu groß“, so Dr. Cyprien Verseux, Leiter des „Laboratory of Applied Space Microbiology“ am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen.

Was macht das Modellbakterium so besonders?
Der Ansatz, auf Basis von Cyanobakterien ein Lebenserhaltungssystem zu konzipieren, ist in der Explorationsforschung nicht neu. Dennoch stockte der Fortschritt auf dem Gebiet bislang durch das Fehlen eines gemeinsamen Modellbakteriums – der Stamm der Cyanobakterien zählt nämlich viele Tausend Arten. Cyprien Verseux und seinen Wissenschaftskolleg:innen ist es jetzt gelungen, die Cyanobakterien-Art der Anabaena sp. PCC 7938 als vielversprechendste für ein Lebenserhaltungssystem auf dem Mars zu identifizieren. So schlagen sie diese Unterart auch als allgemeines Modellbakterium für das Forschungsfeld vor.

Wie sie zu dem Ergebnis gekommen sind, erklärt Cyprien Verseux: „Auf Grundlage bereits vorhandener Studien haben wir zunächst eine kleine Vorauswahl von Cyanobakterien-Stämmen getroffen. Anschließend nahmen wir ihre DNA in den Blick und haben sie anhand von Laborexperimenten verglichen. Kurz gefasst waren dabei zwei Kriterien entscheidend: Erstens, wie gut gedeihen die Bakterien auf Basis der Ressourcen, die auf dem Mars zu finden sind. Zweitens, können sie als Nährstoffgrundlage für andere Organismen fungieren und beispielsweise die Anzucht von essbaren Pflanzen oder anderen Bakterien unterstützen, die nicht die Fähigkeit besitzen, Marsstaub und Marsatmosphäre direkt zu verwerten.“

Bezogen auf letzteres ist dem Forschungsteam die erfolgreiche Anzucht von Entengrütze als höheres, nährstoffreiches Pflanzengewächs gelungen; Bestandteile der Biomasse der Anabaena sp. PCC 7938 wurde dabei als einziges Ausgangsmaterial verwendet. „Diese Pflanze wächst extrem schnell und ist vollständig essbar“, erläutert Tiago Ramalho, ebenfalls ZARM-Wissenschaftler und Erstautor der Studie, „was sie zu einem erstklassigen Kandidaten für einen „landwirtschaftlichen“ Anbau auf dem Mars macht“. Was ihn besonders freut: „Die Entengrütze, die wir in unserem Anzuchtversuch verwendet haben, stammt ursprünglich aus einem Bach im Bremer Stadtpark.“

Die Forschungsperspektive:
Das Wissenschaftsteam möchte mit den gewonnenen Erkenntnissen, der Erforschung der sogenannten In-Situ Verfahren für den Mars – also der Nutzbarmachung von vor Ort auf dem roten Planeten vorhanden Ressourcen – neue Schubkraft verleihen. Die Perspektive für Cyprien Verseux ist klar: „Unsere Arbeit und auch die unserer Fachkolleg*innen deuten stark darauf hin, dass das Konzept an sich machbar ist. Es erscheint möglich, dass sich Cyanobakterien von Mars-Ressourcen ernähren können und die Fähigkeit besitzen, andere, wichtige Bioprozesse in Gang zu setzen. Aber zu wissen, dass dieses System grundsätzlich funktionieren könnte, reicht nicht aus. Wir müssen es verbessern und herausfinden, ob es tatsächlich effizient genug für einen Einsatz bei Marsmissionen ist – und wenn ja, wie würden praktikable Lösungen, einschließlich der Technologie und notwendigen Verfahren, aussehen?“

Auch wollen Verseux und sein Team die biologischen Mechanismen besser verstehen, die den ausgewählten Bakterienstamm der Anabaena sp. PCC 7938 als so gut geeignet erscheinen lassen. „Wir stehen folglich noch ganz am Anfang und der Berg an noch verbleibendender Forschungsarbeit könnte entmutigend sein. Glücklicherweise entwickelt sich das Wissenschaftsfeld insgesamt in Richtung einer intensiven Zusammenarbeit: Die Zahl der Teams, die sich mit Lebenserhaltungssystemen auf der Basis von Cyanobakterien beschäftigen, wächst.“, führt Verseux aus. Das ZARM-Team hofft, dass sein entdeckter Modell-Bakterienstamm zu einer besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse beiträgt und sich die Forschungsarbeiten so einfacher und stärker ergänzen können.

Das Forschungsteam:
Beteiligt an der Studie und der Veröffentlichung „Selection of Anabaena sp. PCC 7938 as a cyanobacterium model for biological ISRU on Mars“ in der Fachzeitschrift „Applied and Environmental Microbiology“ sind: Tiago P. Ramalho, Guillaume Chopin und Cyprien Verseux vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen, Olga M. Pérez-Carrascal vom Department of Integrative Biology der University of California in Berkeley, USA, sowie Nicolas Tromas vom Département des Sciences Biologiques der Université de Montréal, Kanada, und zugleich der Faculté des Sciences et Techniques (FST) der Université de Nantes, Frankreich.

Publikation:
https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00594-22

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• Zukünftige Mars-Erforschung

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Quelle: ZARM.

Der „rote Planet“ am Abendhimmel scheint immer mehr zum Greifen nah, denn führende Raumfahrtbehörden streben zukünftig astronautische Missionen zum Mars an. Anders als bei der Mondlandung 1969 sind diese Missionen für einen längeren Aufenthalt konzipiert, was die Wissenschaft vor neue Herausforderungen stellt: Neben einem Lebensraum müssen zum Beispiel die wenigen von der Erde mitgebrachten Materialien zur Ausstattung und Verpflegung der Astronautinnen und Astronauten effizient und nachhaltig genutzt werden. Humboldt-Stipendiat Cyprien Verseux vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen hat nun erste Forschungsergebnisse bei frontiers veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass sich Cyanobakterien unter Mars-Bedingungen hervorragend vermehren und damit die Basis für biologische Lebenserhaltungssysteme bilden können.

Autarke Lebenserhaltungssysteme
Zum Mars fliegt ein Raumfahrzeug je nach Planetenkonstellation mindestens neun Monate. Neben der langen Anreisezeit machen es zudem die hohen Sicherheitsaspekte und Transportkosten schwierig, Astronautinnen und Astronauten auf dem Mars kontinuierlich mit lebenserhaltenden Verbrauchsmaterialien zu versorgen. Für eine langfristige Explorationsmission müssen also die Ressourcen auf dem Mars produziert und recycelt werden. Eine Lösung dafür wären biologische Systeme, genauer bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS). Mit einem BLSS auf Basis von Cyanobakterien könnte die Crew auf lokale Ressourcen zurückgreifen und damit die Abhängigkeit von der Erde stark reduzieren, so Verseux.

Bekannt sind Cyanobakterien vor allem als Blaualgen, die im Sommer unsere Seen befallen. Die Bakterien, die zu den ältesten Lebewesen unserer Erde gehören, passen sich vielen Extrembedingungen gut an und wachsen, indem sie Stickstoff und Kohlenstoff aus der Luft aufnehmen und dem Wasser durch z.B. Landwirtschaft zugeführte Nährstoffe entziehen. Wenn im Sommer die Rahmenbedingungen für die fälschlicherweise als Algen bezeichneten Bakterien ideal sind, vermehren sich die Bakterien. Wenn die Konzentration zu hoch ist, sind einige Arten für den Menschen ungesund, da sie bei Kontakt mit der Haut Allergien auslösen können. Auf dem Mars kommt allerdings ihr volles Potential zum Tragen, da sie durch Photosynthese Sauerstoff produzieren – ein für den Menschen überlebenswichtiges und außerhalb der Erdatmosphäre rares Gut. Diese Fähigkeit findet man zwar bei fast allen Pflanzen, aber Cyanobakterien können darüber hinaus auf Basis der Nährstoffe wachsen, die auf dem Mars vorhanden sind. Gespeist mit Marsgestein und -atmosphäre eignen sie sich als die Grundlage für ein cyanobakterien-basiertes Lebenserhaltungssystem (CyBLiSS).

Testlabor für verschiedene Atmosphären
Um sich Cyanobakterien auf anderen Planeten zu Nutzen zu machen, wird zunächst im Labor erforscht, wie sie auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen reagieren: Es muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen marsähnlichen Bedingungen (die den Bau und Betrieb eines Kultivierungssystems erleichtern würden) und Bedingungen, die das Wachstum von Cyanobakterien am besten unterstützen. „Atmos“ (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems) ist ein atmosphärengesteuerter Unterdruck-Photobioreaktor, der im „Laboratory for Applied Microbiology“ (LASM) am ZARM entwickelt wurde. Mit Hilfe von Atmos arbeitete das Forschungsteam in den letzten Monaten daran, die optimalen atmosphärischen Bedingungen für das Wachstum der Cyanobakterien der Gattung Anabaena sp zu bestimmen und dabei zugleich die technische Umsetzbarkeit auf dem Mars zu berücksichtigen.

Die Erdatmosphäre setzt sich aus Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) sowie jeweils einem kleinen Anteil an Argon und Kohlenstoffdioxid zusammen. Die Marsatmosphäre hingegen besteht zwar aus den gleichen Stoffen, setzt sich aber nahezu gegensätzlich zusammen, da sie hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid (95%) und nur kleinen Anteilen von Stickstoff und Argon besteht, sowie nur Spuren von Sauerstoff enthält. In Atmos wurden nun in verschiedenen Durchläufen die Anteile der Gase sowie der Umgebungsdruck verändert und die entsprechende Entwicklung der Bakterien beobachtet. Ziel der Untersuchungen war es, sich so weit wie möglich der Marsatmosphäre anzunähern, während gleichzeitig noch ein starkes Wachstum der Cyanobakterien erhalten bleibt. Als Ergebnis ihrer Forschung der letzten Monate erhielt das Forschungsteam vielversprechende Antworten:
Hauptsächlich konnten sie nachweisen, dass sich die Cyanobakterien hervorragend vermehrten, wenn sie einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die der Marsatmosphäre nicht unähnlich ist – und zwar sowohl im Hinblick auf die Gase (4 % Kohlenstoffdioxid; 96% Stickstoff) als auch dem atmosphärischen Druck (100 hPa). Das erreichte Wachstum hat die Erwartungen sogar deutlich übertroffen. Dies ist insofern vielversprechend, als dass es die technisch-logistische Umsetzung eines auf der Marsoberfläche befindlichen CyBLiSS erheblich erleichtert. Zum einen, da dann der Druckunterschied zwischen Innen- und Außenseite des Photobioreaktors nur gering ist und somit weniger hohe Ansprüche an die Statik der Konstruktion gestellt werden. Zum anderen, weil es möglich wäre, die benötigte Gasphase mit minimaler Verarbeitung aus der lokalen Atmosphäre zu erzeugen. Sonstige fehlende Nährstoffe für das Wachstum der Bakterien können ebenfalls vor Ort aus Marsgeröll (Regolith) gewonnen werden: Das Team zeigte, dass die Cyanobakterien in der modifizierten Atmosphäre in Wasser auf einem simulierten Marsboden ohne zusätzliche Nährstoffe wachsen konnten. Als weiteres Forschungsergebnis haben die Untersuchungen der entstandenen Biomasse gezeigt, dass diese als Substrat für nachfolgende Module von Lebenserhaltungssysteme geeignet ist, um auf dem Mars weitere Ressourcen zu generieren.

Erfolgsversprechende Ergebnisse
Das Forschungsteam vom ZARM freut sich darüber, dass die atmosphärischen Bedingungen, die die technische und logistische Machbarkeit von Cyanobakterien-Kultursystemen auf dem Mars verbessern, die von der Biologie diktierten Anforderungen erfüllen können. Damit rückt die Umsetzung eines CyBLiSS weiter ins Zentrum der potentiellen Mars-Lebenserhaltungssysteme bei zukünftigen Mars-Missionen. Mit diesen ersten Ergebnissen beginnt die Arbeit im LASM allerdings erst so richtig. In den nächsten Monaten werden Cyprien Verseux und sein Team das CyBLiSS-Design verfeinern, um sowohl die Fähigkeiten, Cyanobakterien auf dem Mars zu züchten, als auch ihre Verwendung zur Produktion von Nährstoffen für biologische Organismen in nachfolgenden BLSS-Modulen zu verbessern.

Über die Alexander von Humboldt-Stiftung:
Jährlich ermöglicht die Humboldt-Stiftung über 2.000 Forscher*innen aus aller Welt einen wissenschaftlichen Aufenthalt in Deutschland. Die Stiftung pflegt ein Netzwerk von weltweit mehr als 29.000 Humboldtianer*innen aller Fachgebiete in über 140 Ländern – unter ihnen 55 Nobelpreisträger*innen.

Veröffentlichung bei frontiers:
A Low-Pressure, N2/CO2 Atmosphere Is Suitable for Cyanobacterium-Based Life-Support Systems on Mars

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• Planet Mars

Der Beitrag Gekommen um zu bleiben erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ZARM.

Am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen gibt es ein neues Forschungsgebiet: Humboldt-Stipendiat Dr. Cyprien Verseux hat das Labor für angewandte Raumfahrt-Mikrobiologie aufgebaut, in dem er seine Forschung an Cyanobakterien vorantreibt. Diese Mikroorganismen, die uns auch als Blaualgen in Badeseen bekannt sind, könnten eine Schlüsselposition für einen langfristigen Aufenthalt auf anderen Planeten einnehmen.

Astrobiologe Cyprien Verseux nannte schon einige – teils sehr exotische – Orte sein Zuhause: Sein Heimatland Frankreich, die Hauptstadt Italiens, die Westküste Amerikas, den Mauna Loa Vulkan auf Hawaii sowie die Concordia Station in der Antarktis. Nun ist es Professor Marc Avila als seinem Gastgeber für das Humboldt-Stipendium gelungen, ihn an die Universität Bremen zu locken. Begleitet wird Verseux dabei von seinen Forschungsobjekten, den „Cyanobakterien“: blaugrüne Bakterien, die wie Pflanzen Photosynthese betreiben und unter anderem Sauerstoff produzieren. Mit ihrer Hilfe können die wenigen Rohstoffe, die beispielsweise auf dem Mars vorhandenen sind, für den Menschen nutzbar gemacht werden.

Allroundtalent Blaualge
Während Cyanobakterien die Badegäste im Sommer von den Seen fernhalten, präsentieren sich die Mikroorganismen in der Raumfahrt als wahres Allround-Talent. Sie wachsen durch Photosynthese, können Stickstoff binden und sind darüber hinaus in der Lage, Nährstoffe aus Gestein zu extrahieren. Mit diesen Eigenschaften sind sie hervorragend ausgerüstet, aus den wenigen auf dem Mars verfügbaren Materialien, überlebenswichtige Verbrauchsgüter wie Sauerstoff, Treibstoff, Lebensmittel und Medikamente zu gewinnen. Dazu verwenden die Cyanobakterien hauptsächlich atmosphärische Gase, vor Ort gewonnenes Wasser aus Grundeis oder Mars-Regolith, also feines Geröll und Staub von der Marsoberfläche.

Verseuxs Forschung beschäftigt sich auf diesem Wege mit einer zentralen Problematik der Weltraum-Exploration: der Bereitstellung von Verbrauchsmaterialien zur Verpflegung und Ausstattung der Besatzungen bei gleichzeitiger Ressorcenknappheit vor Ort. Im LASM arbeitet er an der Erfassung der notwendigen Daten, um Kosten- und Ertragsschätzungen für Prozesse in biologischen Lebenserhaltungssystemen zu erstellen. Ein besonderes Augenmerk liegt darauf, die optimalen atmosphärischen Bedingungen für das Wachstum von Cyanobakterien zu bestimmen.

In Bremen gewinnt Exploration immer mehr an Bedeutung
Mit dem LASM erweitert das ZARM sein Forschungsfeld der Exploration. Es ist eine ideale Ergänzung zu dem von der Klaus Tschira Stiftung geförderten Forschungsprojekt „MaMBA – Moon and Mars Base Analog“, bei dem ein Habitat entwickelt und konstruiert wird, das ein autarkes Leben und Arbeiten außerhalb der Erde möglich machen soll. Eine erste Zusammenarbeit zwischen beiden Projekte erfolgte bereits im Verlaufe dieses Jahres: Cyprien Verseux gehörte zu einem Wissenschaftsteam, das die Demo-Version eines MaMBA-Moduls während einer Simulationswoche auf Herz und Nieren testen konnte. Weitere Explorationsthemen im ZARM sind Feuersicherheit für astronautische Missionen sowie die Möglichkeit der Treibstoffbetankung im Mondorbit.

Auch über das ZARM hinaus gewinnt das Thema astronautische Exploration in Bremen immer mehr an Bedeutung. Im Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt beschäftigen sich Forschungsteams seit einiger Zeit mit Pflanzenwachstum außerhalb der Erde mit einem besonderen Fokus auf den Anbau von Nahrungsmitteln. Am Bremer Standort des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) spielt explorationsrelevante Robotik eine große Rolle. Ein Beispiel ist die Unterstützung von Astronauten durch autonome Roboter bei der Erkundung planetarer Oberflächen auf Mond und Mars.

Über die Alexander von Humboldt-Stiftung:
Jährlich ermöglicht die Humboldt-Stiftung über 2.000 Forscher*innen aus aller Welt einen wissenschaftlichen Aufenthalt in Deutschland. Die Stiftung pflegt ein Netzwerk von weltweit mehr als 29.000 Humboldtianer*innen aller Fachgebiete in über 140 Ländern – unter ihnen 55 Nobelpreisträger*innen.

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