اول جولای 2025-بیورآکتور ریزگرانشی
همانطور که بشریت چشم به ماموریت‌های فضایی طولانی‌مدت به مقاصدی مانند مریخ و ماه دوخته است، یک چالش اساسی پدیدار می‌شود: درک چگونگی واکنش سیستم‌های بیولوژیکی به محیط خشن و بیگانه فضا. توانایی ما برای ایجاد پایگاه‌های پایدار در ماه، ارسال موفقیت‌آمیز فضانوردان به مریخ و حتی کاوش فراتر از آن، به رمزگشایی این تغییرات بیولوژیکی بستگی دارد.
در حال حاضر، بسیاری از تحقیقات زیست‌شناسی فضایی ما به روش‌های غیرمستقیم یا محدود متکی است. نیاز مبرمی به تحقیقات درجا و در زمان واقعی وجود دارد تا واقعاً بفهمیم که چگونه حیات در خارج از جهان سازگار می‌شود یا با آن مبارزه می‌کند.
بیورآکتور ریزگرانشی جدید ما یک راه حل پیشگامانه برای این محدودیت‌ها ارائه می‌دهد. این دستگاه در پروژه ALCYONE، که توسط اتحادیه اروپا تحت برنامه Horizon Europe تأمین مالی شده و توسط دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه ساپینزا رم هماهنگ شده است، توسعه یافته است. هدف اصلی آن، امکان‌پذیر کردن آزمایش‌های بیولوژیکی پیچیده مستقیماً در محیط فضا و فراهم کردن بستری کنترل‌شده و پایدار برای تحقیقاتی است که قبلاً غیرممکن بود. این فناوری نوآورانه فوق‌العاده مهم است زیرا درهایی را به سوی پیشرفتهای چشمگیر در درک عمیق‌تر سلامت انسان در شرایط ریزگرانش و تابش زیاد باز می‌کند.
بیوراکتور ریزگرانش-چالش‌های محیط فضایی
ریزگرانش – یا به طور دقیق‌تر، بی‌وزنی – شرایطی است که در آن اثرات گرانش به میزان زیادی کاهش می‌یابد. این اتفاق زمانی می‌افتد که یک جسم در حال سقوط آزاد مداوم باشد، مانند هنگام پرواز مداری یا در فضای باز. این فقدان عمیق کشش گرانشی مداومی که ما روی زمین تجربه می‌کنیم، اثرات گسترده و اغلب مضری بر سیستم‌های بیولوژیکی دارد. در سطح سلولی، ریزگرانش بر فرآیندهای اساسی مانند بیان ژن، تمایز سلولی و ارتباط بین سلولی تأثیر می‌گذارد.
از سوی دیگر، تأثیر تابش بر سلول‌های زنده در فضا، نگرانی اصلی برای اکتشافات فضایی انسان است، به خصوص که ماموریت‌ها فراتر از مگنتوسفر محافظ زمین به سمت ماه و مریخ امتداد می‌یابند. برخلاف تابش زمینی، تابش فضایی شامل ذرات بسیار پرانرژی، در درجه اول پرتوهای کیهانی کهکشانی (GCR) و رویدادهای ذرات خورشیدی (SPE) است که می‌توانند به سپر فضاپیما و بافت‌های زنده نفوذ کنند. این نوع تابش یونیزه کننده باعث آسیب در سطح مولکولی، به ویژه به DNA، می‌شود. این آسیب می‌تواند منجر به اثرات بیولوژیکی مضر، از جمله موارد زیر شود:
- احتمال قابل توجه افزایش سرطان‌های مختلف در صورت قرار گرفتن طولانی مدت در معرض آن
- آسیب به سلول‌های مغزی، منجر به نقص شناختی، مشکلات حافظه و تغییرات در خلق و خو یا رفتار.
- تسریع اثرات پیری، از جمله آب مروارید، بیماری‌های قلبی عروقی و آسیب به اندام‌ها
- اختلال در سیستم ایمنی بدن، که فضانوردان را در محیط محدود فضاپیما بیشتر مستعد ابتلا به عفونت می‌کند.
درک این اثرات برای توسعه مواد محافظ پیشرفته و به طور بالقوه توسعه استراتژی‌های تاب‌آوری بیولوژیکی اساسی است. بدون درک جامع از تأثیر تشعشعات، امکان حضور طولانی مدت انسان در اعماق فضا همچنان یک چالش اساسی است.
شبیه‌سازی‌های سنتی زمینی اغلب فشار نامطلوبی را بر نمونه‌های بیولوژیکی وارد می‌کنند و فقط می‌توانند شرایط واقعی فضا را تقریب بزنند، نه حتی یک شرایط کامل. علاوه بر این، در حال حاضر امکان بازسازی محیط تابشی پیچیده‌ای که در فضا با آن مواجه می‌شویم، بر روی زمین وجود ندارد. دقیقاً همین «شکاف» بین شبیه‌سازی‌های زمینی و شرایط واقعی فضا است که بیوراکتور ریزگرانشی ما قصد دارد آن را پر کند. با طراحی برای عملیات درجا مستقیماً در فضا، بیوراکتور ما یک محیط ریزگرانشی و تابشی پایدار و واقعی را برای نمونه‌های بیولوژیکی فراهم می‌کند، عاری از عوامل گمراه‌کننده تنش برشی، اثرات گرانش جزئی و نیاز به تغییر جهت مداوم ذاتی در سیستم‌های زمینی.
در مقابل، دسترسی مستقیم به محیط فضا فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای مشاهده، دستکاری و درک فرآیندهای بیولوژیکی در حالی که واقعاً در خارج از جهان آشکار می‌شوند، فراهم می‌کند و بستری دقیق‌تر و قابل اعتمادتر برای تحقیقات پیشرفته زیست‌شناسی فضایی ارائه می‌دهد.
فعالیت طراحی معماری دستگاه اصلی آزمایشگاه روی تراشه ALCYONE و همچنین ساخت آن، تمرکز اصلی تیم هماهنگ‌کننده پروژه در دانشگاه ساپینزا رم، به همراه تیم دانشگاه توئنته، بوده است. بیوراکتور ریزگرانش ما با مجموعه‌ای از نوآوری‌های طراحی و مهندسی بدیع، که با دقت ساخته شده‌اند تا در محیط فضایی دشوار برتری داشته باشند، متمایز است.تمرکز اصلی بر فشردگی و کوچک‌سازی بوده است که حداقل فضای مورد نیاز را تضمین می‌کند.
چاپی که امکان ادغام یکپارچه در محدوده تنگ فضاپیما را فراهم می‌کند. این عامل اندازه کوچک، حجم محموله ارزشمند را به حداکثر می‌رساند و تحقیقات بیولوژیکی مبتنی بر فضا را بیش از پیش در دسترس و مقرون به صرفه می‌کند. در مرکز عملکرد آن، یک سیستم میکروفلوئیدیک پیشرفته قرار دارد که هسته بیوراکتور ما را تشکیل می‌دهد. این سیستم به طور دقیق حداقل حجم مایعات را کنترل می‌کند، مصرف معرف را به شدت کاهش می‌دهد و آزمایش‌های موازی متعدد را در یک منطقه کوچک امکان‌پذیر می‌سازد.
این رویکرد میکروفلوئیدیک توسط یک سیستم عملیاتی خودکار پیشرفته که توسط Kayser Italia s.r.l. (لیورنو، ایتالیا)، شریک صنعتی پروژه، طراحی و اجرا شده است، تکمیل می‌شود. این شامل میکرو پمپ‌های پیشرفته و شیرهای دقیق برای تبادل خودکار محیط کشت است که امکان تحویل مواد مغذی دقیقاً کنترل شده و حذف کارآمد زباله را فراهم می‌کند و شرایط بهینه را برای آزمایش‌های طولانی مدت تضمین می‌کند.
یکی از مهم‌ترین فناوری‌هایی که نوآوری پروژه ALCYONE را پیش برد، ادغام حسگرها و محرک‌های لایه نازک روی همان زیرلایه‌هایی است که میکروانکوباتور را تشکیل می‌دهند و آن را به یک دستگاه آزمایشگاه روی تراشه «واقعی» تبدیل می‌کند که برای مدیریت شرایط محیطی محلی و همچنین نظارت بر وضعیت نمونه‌های بیولوژیکی انکوبه شده، نیازی به ابزار آزمایشگاهی خارجی ندارد. کنترل‌های محیطی یکپارچه از یک بخاری فلزی لایه نازک مینیاتوری برای هر محفظه انکوباسیون و حسگرهای دمای سیلیکون آمورف هیدروژنه (a-Si:H) فوق حساس اختصاصی برای حفظ سطح دقیق دما استفاده می‌کنند.
انتخاب مواد، نتیجه یک بررسی طراحی حیاتی در فرآیند تعریف معماری تراشه، به ویژه با توجه به محیط تابشی بالای فضا است. مواد زیست سازگار به طور خاص در تماس مستقیم با نمونه‌های بیولوژیکی در کانال‌های میکروفلوئیدیک به کار گرفته می‌شوند و عدم تداخل با فرآیندهای سلولی را تضمین می‌کنند. این انتخاب‌های مواد نه تنها در برابر سختی‌های پرتاب و قرار گرفتن در معرض فضا مقاومت می‌کنند، بلکه خلوص و زیست‌پذیری کشت‌های بیولوژیکی را حتی در معرض تابش طولانی مدت نیز تضمین می‌کنند.
علاوه بر این، بیوراکتور دارای مدولار بودن و تطبیق‌پذیری چشمگیری است. طراحی محفظه میکروفلوئیدیک قابل انطباق آن، امکان تطبیق انواع مختلف سلول، از جمله سلول‌های پستانداران، مخمرها و کشت‌های میکروبی، همراه با تنظیمات مختلف آزمایشگاهی را فراهم می‌کند و طیف گسترده‌ای از تحقیقات را امکان‌پذیر می‌سازد. در حین کار درجا در شرایط بی‌وزنی واقعی، دینامیک سیالات داخلی درون بیوراکتور از طریق هندسه‌های میکروکانال مهندسی‌شده دقیق و تکنیک‌های کنترل جریان غیرفعال بهینه می‌شود. این امر توزیع یکنواخت مواد مغذی و حذف ضایعات در اطراف نمونه‌ها را تضمین می‌کند و از نیروهای برشی ناخواسته یا شیب‌های مواد مغذی که می‌توانند اثرات گرانش جزئی را تقلید کنند، جلوگیری می‌کند و در نتیجه قرار گرفتن سلول‌ها در معرض بی‌وزنی ثابت و واقعی را تضمین می‌کند.
سلول‌های زیست‌تاب و حسگرهای هوشمند
یکی دیگر از جنبه‌های اصلی پروژه ALCYONE، استفاده از زیست‌تاب به عنوان یک رویکرد تحلیلی برای نظارت بر وضعیت کشت‌های سلولی است. برای این منظور، تیم‌های گروه شیمی (Giacomo Ciamician) دانشگاه بولونیا و گروه زیست‌شناسی دانشگاه رم (Tor Vergata) سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی را از نظر ژنتیکی اصلاح کردند تا آنها را به سیستم‌های گزارشگر مبتنی بر لوسیفراز مجهز کنند تا پاسخ‌های خاص به استرس را ردیابی کنند.
مهمتر از همه، حسگرهای مبتنی بر زیست‌تابی مستقیماً در تراشه میکروفلوئیدیک ادغام می‌شوند تا فعالیت متابولیک سلولی را به صورت مداوم و در لحظه رصد کنند. همان فناوری لایه نازک a-Si:H که در دانشگاه ساپینزا موجود است، برای ساخت حسگرهای نوری که برای رصد سیگنال تحلیلی مرتبط با شرایط استرس نمونه بیولوژیکی استفاده می‌شوند، استفاده می‌شود. این روش نوری غیرتهاجمی، بینش‌های حیاتی در مورد پاسخ‌های سلولی به ریزگرانش و تابش، بدون ایجاد اختلال در آزمایش، ارائه می‌دهد.
نظارت بر تابش: یک پیشرفت در اندازه CubeSat
به عنوان عنصر کلیدی نهایی پروژه ALCYONE، یک سیستم نوآورانه نظارت بر تابش مبتنی بر دستگاه TimePix سرن، همراه با یک فناوری حسگر با حساسیت بالا، توسط تیم موسسه فناوری کارلسروهه برای مطالعه محیط تابشی جهت مرتبط کردن آن با نتایج بیولوژیکی توسعه داده شده است. این تیم در طراحی چنین شیء پیشرفتهای با توجه به محدودیت‌ها و محدودیت‌های یک محموله CubeSat کار بزرگی انجام داد.
از طراحی تا اعتبارسنجی
قبل از هرگونه ساخت فیزیکی، این طرح از طریق آزمایش شبیه‌سازی، اعتبارسنجی گسترده زمینی را پشت سر گذاشت. تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در بهینه‌سازی دینامیک جریان سیال داخلی در کانال‌های میکروفلوئیدیک، تضمین انتقال یکنواخت مواد مغذی و حذف ضایعات در محیط ریزگرانش و به حداقل رساندن نیروهای برشی نامطلوب، بسیار مهم بود.
به طور همزمان، شبیه‌سازی‌های تحلیل ساختاری، مقاومت بیوراکتور را در برابر نیروهای شدید پرتاب و خلاء فضا به دقت آزمایش کردند .
حفظ یکپارچگی ساختاری آن در بدترین سناریوها و با در نظر گرفتن محیط با تابش بالا.
آزمایش‌های دیگر بر نشان دادن عملکرد اساسی بیوراکتور، به ویژه دقت میکروپمپ‌ها و دریچه‌ها، دقت نظارت بر تنش مبتنی بر لومینسانس و قابلیت حیات کلی در شرایط کنترل‌شده متمرکز بودند. همچنین میزان مایع بودن کانال‌های میکروفلوئیدیک، مصرف برق و پایداری حرارتی حفظ‌شده توسط گرم‌کن‌ها به‌طور مداوم تحت نظارت و بهینه‌سازی قرار گرفتند.
تبدیل بیوراکتور میکروگرانشی نوآورانه ما از مفهوم به یک دستگاه ملموس و آماده برای فضا، شامل یک فرآیند ساخت دقیق و اعتبارسنجی جامع بود.
مراحل کلیدی تولید شامل تکنیک‌های پیشرفته میکروساخت برای کانال‌ها و محفظه‌های میکروفلوئیدیک، از جمله دستگاه‌های الکترونیکی لایه نازک بود. این شامل فرآیندهایی مانند تکنیک‌های اتصال تخصصی برای ایجاد تراشه‌های میکروفلوئیدیک چند لایه بود.
با نگاهی به آینده، ما در حال بررسی فرصت‌هایی برای ادغام در ماموریت‌های اختصاصی CubeSat هستیم که پلتفرم‌های مقرون‌به‌صرفه‌ای را برای آزمایش اولیه پرواز فضایی خودکار، اصلاح بیشتر پارامترهای عملیاتی آن و ارزیابی مستقیم عملکرد سیستم میکروفلوئیدیک و پایش زیست‌تابی تحت تابش واقعی فضا قبل از کاربردهای پرواز فضایی انسانی در مقیاس بزرگتر فراهم می‌کند. این مراحل بعدی به طور قطعی عملکرد و قابلیت اطمینان بیوراکتور را در محیط واقعی فضا نشان خواهد داد.
برای این منظور، یک عامل کلیدی، میراث دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه ساپینزا رم، با بیش از ده ماموریت ماهواره‌ای موفق در بیست سال گذشته، خواهد بود که کاملاً در چارچوب یک طرح آموزشی و با مشارکت محققان و دانشجویان جوان از طراحی تا عملیات درون مداری ماموریت‌های میکرو و نانو ماهواره توسعه یافته است.
به سوی اولین ماموریت
بیوراکتور مداری ما نوید می‌دهد که کاتالیزوری برای پیشرفتهای علمی قابل توجه باشد و درک ما از زندگی فراتر از زمین را اساساً متحول کند. با فراهم کردن یک محیط میکروگرانش پایدار و واقعی برای تحقیقات درجا، به ویژه با استفاده از سیستم میکروفلوئیدیک پیشرفته و نظارت یکپارچه بر بیولومینسانس، دانش ما در مورد چگونگی تأثیر فضا بر فیزیولوژی انسان به طرز چشمگیری افزایش خواهد یافت. این قابلیت به طور مستقیم از توسعه سیستم‌های پشتیبانی از حیات که برای ماموریت‌های طولانی مدت به مریخ و فراتر از آن، جایی که تأمین مجدد مواد غیرعملی است، حیاتی هستند، پشتیبانی می‌کند. توانایی بیوراکتور برای انجام آزمایش‌های بیولوژیکی پیچیده در فضا نیز درهایی را برای کشف‌های جدید می‌گشاید. نظارت مداوم بر سلامت سلول از طریق بیولومینسانس به ویژه برای ارزیابی اثربخشی اقدامات متقابل بالقوه برای مسائلی مانند قرار گرفتن در معرض تابش قدرتمند است و امکان غربالگری سریع و با دقت بالا از ترکیبات محافظ را فراهم می‌کند.
با نگاهی به آینده، گام‌های بعدی ما شامل ادغام بیشتر حسگرهای چندوجهی پیشرفته‌تر برای نظارت با وضوح بالا و بلادرنگ بر فرآیندهای سلولی و پارامترهای محیطی، از جمله نظارت مستقیم بر دوز تابش در سطح سلولی است. ما تصور می‌کنیم که تجزیه و تحلیل مبتنی بر هوش مصنوعی را برای تفسیر خودکار داده‌های بیولوژیکی پیچیده، از جمله پاسخ‌های استرس تحت تابش، و بهینه‌سازی پروتکل‌های تجربی، در نظر بگیریم. پیشرفتهای بیشتر بر افزایش اتوماسیون و کوچک‌سازی متمرکز خواهد بود و هدف آن ساخت ماژول‌های کاملاً خودکاری است که قادر به انجام تحقیقات گسترده با حداقل دخالت انسان باشند و واقعاً راه را برای دوران جدیدی از بیوتکنولوژی فضایی دقیق هموار کرده و حضور پایدار انسان را در سراسر منظومه شمسی امکان‌پذیر سازند.
باز کردن آینده بیوتکنولوژی فضایی
بیورآکتور ریزگرانشی جدید ما به عنوان یک پیشرفت حیاتی در زیست‌شناسی فضایی، بستری بی‌سابقه برای انجام آزمایش‌های بیولوژیکی پیچیده به طور مستقیم در محیط واقعی فضا ارائه می‌دهد. این بیورآکتور با غلبه بر محدودیت‌های ذاتی شبیه‌سازهای زمینی، ابزاری حیاتی برای درک پاسخ‌های حیات به ریزگرانش به روش‌هایی که قبلاً غیرممکن بود، فراهم می‌کند. این فناوری نوآورانه فقط مربوط به کنجکاوی علمی نیست؛ بلکه در مورد هموار کردن راه برای حضور پایدار انسان فراتر از زمین است.
بیورآکتور ما با آشکار کردن اسرار چگونگی رشد یا سازگاری سیستم‌های بیولوژیکی در فضا، در توسعه سیستم‌های پشتیبانی از حیات قوی، اقدامات متقابل ضروری برای سلامت فضانوردان و حتی داروهای جدید نقش مهمی خواهد داشت. این واقعاً مرزهای جدیدی را در اکتشافات علمی باز می‌کند و امکانات هیجان‌انگیز را برجسته می‌کند، در واقع، این فناوری توسعه‌یافته، دریچه‌هایی را برای آینده اکتشافات فضایی و بیوتکنولوژی باز می‌کند.
