Op het bord van de astronaut straks: spirulina. Deze voedzame alg vermenigvuldigt zich in de ruimte en produceert zuurstof, ontdekte bio-ingenieur Natalie Leys. ‘We onderzoeken of ruimtereizigers zelf hun voorraad voedsel en zuurstof kunnen spijzen bij lange missies.’
15 december 2017. Op de lanceerbasis van Cape Canaveral staat een SpaceX CRS-13- raket klaar van de European Space Agency (ESA). Met aan boord een Belgische wetenschappelijke opstelling: een kleine bioreactor van het SCK•CEN, het Studiecentrum voor Kernenergie in Mol. Nooit eerder ging een bio-experiment van die omvang de ruimte in. Bio-ingenieur Natalie Leys, hoofd Microbiologie en coördinator van het ruimtevaartprogramma van het SCK•CEN, werkte er met haar team tien jaar lang aan.
Spinazieachtige substantie
In de bioreactor zit een alg die spirulina heet, een bacterie die zich in aardse omstandigheden vlot vermenigvuldigt. Als je ze droogt, hou je een spinazieachtige substantie over die eetbaar is. Spirulina zit vol eiwitten, mineralen en vitaminen, en dus bruikbare voedingsstoffen voor astro- nauten. Bovendien produceert de bacterie maar liefst 60 procent van de zuurstof op aarde. Het SCK•CEN-experiment moet nagaan of bacteriën ook in het ISS zonder problemen en even snel voedsel en zuurstof kunnen produceren. Vanzelfsprekend is dat allesbehalve, want in de ruimte is alles anders. Zo is er veel meer kosmische straling dan op aarde en er heerst micro- zwaartekracht. Het effect daarvan op cellen – van de kleinste bacterie tot de biologie van de hele mens – is groot, vaak nog onbekend en verschillend voor alle levende organismen. Minuscule spirulina-algen kunnen bijvoorbeeld 6400 gray aan – een eenheid die de hoeveelheid geabsorbeerde ioniserende straling aangeeft. Een mens kan slechts 5 gray verdragen. Hoe dat komt? Allemaal vragen voor de afdeling Microbiologie van het SCK•CEN, waar ze willen weten hoe een langer verblijf in de ruimte biologisch leven verandert. Dit alles om zulke lange verblijven voor astronauten – reizen richting Mars – mogelijk te maken.
Wereldprimeur
Natalie Leys trok naar de VS om de lancering van de bioreactor met spirulina mee te maken. ‘Maar liefst zevenmaal achterelkaar beleefden we een launchscrub, een afgelaste of uitgestelde lancering’, legt Leys uit. ‘Dat was spannend. Zou ons experiment vertrekken, of niet? Uiteindelijk raakte het SCK•CEN-experiment een paar weken later goed en wel aan boord van het ISS.’ Nooit werd er op dergelijke schaal een biologisch experiment in de ruimte uitgevoerd. Een wereldprimeur, aldus Leys: ‘NASA doet iets vergelijkbaars, maar dan met planten. Op het vlak van experimenten met bioreactoren zijn wij de wereldwijde koplopers.’
Proeven zoals met de SCK•CEN-bioreactor zijn cruciaal om een nijpend probleem voor astronauten op te lossen: hoe krijg je genoeg eten en zuurstof aan boord voor lange ruimtereizen? ‘Vandaag vertrekken de astronauten naar de ruimte met een rugzak vol eten, water en zuurstof. Als dat op is, moeten we een nieuwe voorraad naar het ISS sturen’, stelt Natalie Leys. ‘Met ons experiment gaan we na of we die voorraden aan boord kunnen aanmaken door een stukje van ons aardse ecosysteem op te sturen naar het ISS. Je kunt in de ruimte moeilijk kippen of vissen gaan kweken, dat is veel te complex. Astronautenvoeding moet van planten of eetbare biomassa komen. Planten lijken makkelijk, maar om van planten voedsel te maken heb je grote serres nodig. Voor eencelligen is een kuip water al genoeg. Een bijkomend voordeel van bacteriën is dat je geen verpakking nodig hebt en ze geen afval produceren. Integendeel: ze verwerken afvalwater en groeien daarvan. Bovendien produceren ze zuurstof. We proberen eigenlijk fotosynthese naar de ruimte te transporteren, het proces waarmee een plant voedsel en zuurstof maakt. Als dat lukt, staat de deur open om een leefbare omgeving te maken in de ruimte.’
‘Je kunt in de ruimte moeilijk kippen of vissen gaan kweken, dat is veel te complex. Astronautenvoeding moet van planten of eetbare biomassa komen’
Spirulinasoep
De onderzoekers van het SCK•CEN activeer- den hun bioreactor een paar dagen na aankomst in het ISS. ‘Toen werd het heel spannend’, zegt Natalie Leys. ‘Het was afwachten of de spirulina-bacteriën de reis en de straling in de ruimte goed doorstaan hadden en of ze zich zouden delen. Om dat te meten hadden we een systeem met licht bedacht dat door de stalen met spirulina scheen: als we gaandeweg minder licht konden zien, betekende het dat de ‘spirulinasoep’ dikker werd, en dus dat de bacteriën zich deelden.’ De eerste dagen gebeurde er helemaal niets. Maar dan klom de curve plots gezwind opwaarts. In het SCK•CEN beleefden Leys en haar ploeg een hoeramomentje. Ondertussen liep er al die tijd een exacte kopie van het experiment in een SCK•CEN-lab in de ruimte. Op die manier kunnen de onderzoekers uitzoeken welke verschillen er zijn tussen het experiment in de ruimte en de proefopstelling op aarde.
‘De analyse van alle data is nog volop aan de gang’, zegt Natalie Leys. ‘In het najaar hopen we het allemaal klaar te hebben. Maar ik kan nu al zeggen dat wat we verwacht hadden, ook ingelost werd. En we zien dat we het proces goed onder controle hebben. Dat is niet niks, want het transplanteren van een biologisch proces naar de ruimte is allesbehalve simpel. Alle leven op aarde heeft zich in de loop van miljoenen of zelfs miljarden jaren aangepast aan de omstandigheden op aarde, maar in de ruimte zijn de condities helemaal anders. Precies die verschillen in de biologische processen zijn we nu nog volop aan het onderzoeken.’
‘In de ruimte is de urine van vandaag de koffie van morgen’
Extreem recycleren
De SCK•CEN-bioreactor is tegelijk ook een microbieel afvalrecyclagesysteem, genaamd MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative). Zo’n systeem gebruikt onder meer de afvalstoffen die de astronauten produceren om ze te recycleren tot voeding en drinkwater. Nu wordt in het ISS wel al drinkbaar water aan- gemaakt door het filteren van afvalwater. Zuurstof maken ze er door elektrolyse van water. ‘Maar zulke technieken zijn de oplossing niet voor de productie van voedsel’, zegt Natalie Leys. ‘Daarvoor heb je biologie nodig: planten en meststof. Als je ooit in de ruimte voedsel wilt produceren, moet je ook het afval hergebruiken. En dat gaat behoorlijk ver: CO2, water, stoelgang, urine van de ISS-astronauten … Zelfs transpiratievocht in de cabine, het wordt allemaal gerecycleerd.’
‘Een astronaut verbruikt in de ruimte ongeveer dertig kilogram per dag aan water, voedsel en zuurstof. Dat is dertig ton in duizend dagen, zowat de duur van een enkele reis naar de planeet Mars. Véél te zwaar om mee te nemen. Recycleren is dus de boodschap. In de ruimte is de urine van vandaag de koffie van morgen.’
Testlab om de maan
Over naar de praktijk: ziet Natalie Leys al tegen 2024 mensen op de maan landen? ‘Het is de strategie van de NASA om eerst een ruimtestation in een baan om de maan te brengen, met de technologie die ze kennen van het ISS’, zegt Leys. ‘Dat wordt dan een mooi platform en een nieuw lab om weer andere zaken te testen, in een omgeving zonder atmosfeer en magnetosfeer. Dat zal ons een grote stap in de biologie opleveren, omdat we daar dan het type ruimtestraling, de dosis en de impact ervan op levende materie kunnen meten. Vandaag hebben we een zeer behoorlijke kennis over röntgenstraling en gammastralen, maar kosmische straling is véél complexer. Een vraag is ook nog hoe we die correct kunnen meten en, natuurlijk, wat daarvan de impact is op het menselijk lichaam. Ik kijk er dus erg naar uit om daar een bioreactor te laten functioneren. Zo kunnen we zien hoe het leven zich genetisch aanpast onder dat onophoudelijke bombardement van ioniserende straling. In de ruimte moet je daar dan ook nog eens het ontbreken van zwaartekracht aan toevoegen. Want je kunt het ene niet loskoppelen van het andere. Ze versterken elkaar.’
Natalie Leys zit dankzij haar onderzoek inmiddels ook in een team met Chinese experts. Die hebben namelijk hun eigen ruimtestation. ‘Het SCK•CEN maakt naam als kenniscentrum inzake straling, ook voor toepassingen in de ruimte. Omgaan met straling wordt een zeer belangrijk thema als het over lange ruimtereizen gaat. Met wat wij weten, kunnen wij de richting waarin het uit gaat mee aansturen.’ Ondertussen bereidt het team van Leys bij het SCK•CEN een nieuwe vlucht naar het ISS voor. ‘Met dezelfde bacterie, maar met een meer complex experiment. Al zijn er nog geen exacte vluchtdata gekozen door de ESA.
