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Une biotechnologie adaptée à la planète rouge

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Crédit : C. Verseux / ZARM

La NASA, en collaboration avec d’autres grandes agences spatiales, vise à envoyer ses premières missions humaines sur Mars au début des années 2030, tandis que des entreprises comme SpaceX pourraient le faire encore plus tôt. Les astronautes sur Mars auront besoin d’oxygène, d’eau, de nourriture et d’autres consommables. Ceux-ci devront provenir de Mars, car les importer de la Terre ne serait pas pratique à long terme. Dans Frontières en microbiologie, les scientifiques montrent pour la première fois que les cyanobactéries Anabaena peuvent être cultivées uniquement avec des gaz locaux, de l'eau et d'autres nutriments et à basse pression. Cela facilite grandement le développement de systèmes durables de maintien de la vie biologique.

« Nous montrons ici que les cyanobactéries peuvent utiliser les gaz disponibles dans l’atmosphère martienne, à faible pression totale, comme source de carbone et d’azote. Dans ces conditions, les cyanobactéries conservaient leur capacité à se développer dans de l’eau contenant uniquement de la poussière de type martien et pouvaient toujours être utilisées pour nourrir d’autres microbes. Cela pourrait contribuer à rendre les missions à long terme vers Mars durables », déclare l’auteur principal, le Dr Cyprien Verseux, astrobiologiste qui dirige le laboratoire de microbiologie spatiale appliquée au Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l’Université de Brême, en Allemagne.

Atmosphère basse pression

Les cyanobactéries ont longtemps été ciblées comme candidates pour assurer le maintien de la vie biologique lors des missions spatiales, car toutes les espèces produisent de l'oxygène par photosynthèse tandis que certaines peuvent fixer l'azote atmosphérique en nutriments. Une difficulté est qu'ils ne peuvent pas croître directement dans l'atmosphère martienne, où la pression totale est inférieure à 1% de celle de la Terre – 6 à 11 hPa, trop basse pour la présence d'eau liquide – tandis que la pression partielle de l'azote gazeux – 0.2 à 0.3 hPa – est trop faible pour leur métabolisme. Mais recréer une atmosphère semblable à celle de la Terre coûterait cher : il faudrait importer des gaz, tandis que le système de culture devrait être robuste – donc lourd à transporter – pour résister aux différences de pression : « Pensez à une cocotte minute », dit Verseux. . Les chercheurs ont donc cherché un juste milieu : une atmosphère proche de celle de Mars qui permette aux cyanobactéries de bien se développer.

Pour trouver des conditions atmosphériques appropriées, Verseux et al. développé un bioréacteur appelé Atmos (pour « Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems »), dans lequel des cyanobactéries peuvent être cultivées dans des atmosphères artificielles à basse pression. Tout apport doit provenir de la planète rouge elle-même : outre l'azote et le dioxyde de carbone, des gaz abondants dans l'atmosphère martienne, et l'eau qui pourrait être extraite de la glace, les nutriments devraient provenir du « régolithe », la poussière recouvrant les planètes et les lunes semblables à la Terre. . Il a été démontré que le régolithe martien est riche en nutriments tels que le phosphore, le soufre et le calcium.

Anabaena : des cyanobactéries polyvalentes cultivées sur de la poussière semblable à celle de Mars

Atmos dispose de neuf récipients de 1 L en verre et en acier, chacun étant stérile, chauffé, à pression contrôlée et surveillé numériquement, tandis que les cultures à l'intérieur sont continuellement agitées. Les auteurs ont choisi une souche de cyanobactéries fixatrices d'azote appelée Anabaena sp. PCC 7938, car des tests préliminaires ont montré qu'il serait particulièrement efficace pour utiliser les ressources martiennes et aider à la croissance d'autres organismes. Il a été démontré que des espèces étroitement apparentées sont comestibles, adaptées au génie génétique et capables de former des cellules dormantes spécialisées pour survivre à des conditions difficiles.

Verseux et ses collègues ont d'abord cultivé Anabaena pendant 10 jours sous un mélange de 96 % d'azote et 4 % de dioxyde de carbone à une pression de 100 hPa – dix fois inférieure à celle sur Terre. Les cyanobactéries se sont développées aussi bien sous air ambiant. Ensuite, ils ont testé la combinaison de l’atmosphère modifiée avec le régolithe. Comme aucun régolithe n’a jamais été importé de Mars, ils ont plutôt utilisé un substrat développé par l’Université de Floride centrale (appelé « Mars Global Simulant ») pour créer un milieu de croissance. Comme témoins, Anabaena a été cultivée dans un milieu standard, soit à l'air ambiant, soit sous la même atmosphère artificielle à basse pression.

Les cyanobactéries se sont bien développées dans toutes les conditions, y compris dans le régolithe, sous un mélange riche en azote et en dioxyde de carbone à basse pression. Comme prévu, leur croissance a été plus rapide sur un milieu standard optimisé pour les cyanobactéries que sur Mars Global Simulant, sous les deux atmosphères. Mais cela reste une réussite majeure : alors que le milieu standard devrait être importé de la Terre, le régolithe est omniprésent sur Mars. «Nous voulons utiliser comme nutriments les ressources disponibles sur Mars, et uniquement celles-là», explique Verseux.

La biomasse séchée d'Anabaena a été broyée, mise en suspension dans de l'eau stérile, filtrée et utilisée avec succès comme substrat pour la culture de la bactérie E. coli, prouvant que des sucres, des acides aminés et d'autres nutriments peuvent en être extraits pour nourrir d'autres bactéries, qui sont moins nombreuses. des outils robustes mais éprouvés pour la biotechnologie. Par exemple, E. coli pourrait être modifié plus facilement qu’Anabaena pour produire sur Mars certains produits alimentaires et médicaments qu’Anabaena ne peut pas produire.

Les chercheurs concluent que les cyanobactéries fixatrices d’azote et productrices d’oxygène peuvent être cultivées efficacement sur Mars à basse pression et dans des conditions contrôlées, avec des ingrédients exclusivement locaux.

D’autres améliorations en cours

Ces résultats constituent une avancée importante. Mais les auteurs préviennent que des études plus approfondies sont nécessaires : « Nous voulons passer de cette preuve de concept à un système qui puisse être utilisé efficacement sur Mars », explique Verseux. Ils suggèrent d’affiner la combinaison optimale de pression, de dioxyde de carbone et d’azote pour la croissance, tout en testant d’autres genres de cyanobactéries, peut-être génétiquement adaptées aux missions spatiales. Un système de culture pour Mars doit également être conçu :

« Notre bioréacteur, Atmos, n’est pas le système de culture que nous utiliserions sur Mars : il est destiné à tester, sur Terre, les conditions que nous y assurerions. Mais nos résultats aideront à orienter la conception d’un système de culture martien. Par exemple, la pression plus faible nous permet de développer une structure plus légère et plus facilement transportable, car elle n'aura pas à supporter de grandes différences entre l'intérieur et l'extérieur », conclut Verseux.

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Le projet a été financé par la Fondation Alexander von Humboldt.

Source : https://bioengineer.org/biotech-fit-for-the-red-planet/

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