ORBITALNA ALKIMIJA

Kalifornijski El Segundo je že skoraj stoletje eno od središč ameriške letalske in vesoljske industrije. Med drugo svetovno vojno so v tamkajšnjih tovarnah izdelovali bombnike za pacifiško bojišče. Pozneje so se na prizorišču pojavili velikani, kot sta Hughes in Northrop, ki sta zaporedoma izdelovala generacije letal in vesoljskih plovil. Danes območje deli več deset vesoljskih in tehnoloških zagonskih podjetij, v sosednjem Hawthornu pa najdemo tudi SpaceX.

Neke majske noči se je v neopazni stavbi na vzhodnem robu El Segunda približno 50 inženirjev podjetja Varda Space Industries zbralo, tokrat ne zaradi izstrelitve, temveč zaradi vrnitve. Jedli so mrzlo pico in igrali družabne igre, medtem ko so gledali neposredni prenos in čakali na novice o stanju svoje vesoljske naprave, ki je padala proti Zemlji nad avstralsko divjino. »Predstava« se je začela ob 22.59. Kapsula je proti Zemlji drvela s hitrostjo okoli 31.000 kilometrov na uro, ko se je ločila od satelita, s katerim je bila prej povezana. 17 minut pozneje je v drobni nadzorni sobi završalo od navdušenja, ko se je prvo padalo odprlo natančno ob načrtovanem času.

Nadzorna soba je zelo podobna nadzornim središčem, ki jih upravljajo NASA in druga vesoljska podjetja ter iz katerih vodijo odprave s posadko, znanstvene sonde in komunikacijske satelite. A služi drugemu namenu: tu polagajo temelje nove vesoljske industrije, osredotočene na biomedicino.

Tovarne nad našimi glavami

Vardo so ustanovili leta 2021. V komaj petih letih so zasnovali, zgradili in v Zemljino orbito poslali šest kapsul. Ta kapsula, izdelana za Raziskovalni laboratorij ameriškega letalstva, je služila preizkušanju toplotnozaščitnih materialov, druge pa so prevažale miniaturne laboratorije, ki samostojno talijo, raztapljajo, ohlajajo in ponovno kristalizirajo farmacevtske spojine. Na Zemlji te postopke moti težnost, ker v tekočinah sproži mehurčkasto konvekcijo, zaradi katere se kristali in delci usedajo. V vesolju pa, kjer ni zgoraj in spodaj, topli tekočinski tokovi ne naraščajo, gosti delci pa ne tonejo, zato se lahko kristali oblikujejo v veliko mirnejših razmerah.

Zato so v mikrogravitaciji, trdijo strokovnjaki podjetja Varda, beljakovinski in farmacevtski kristali čistejši in bolj enakomerni, nastanejo pa lahko tudi spojine, ki jih na Zemlji ni mogoče proizvesti. Nicholas Cialdella, tehnični vodja podjetja Varda, upa, da bodo te prednosti pripeljale do zdravil, ki jih bo lažje proizvajati, shranjevati in uporabljati.

Varda je le en primer precej širše pobude. Raziskovalci tako v akademskem kot v industrijskem svetu si prizadevajo, da bi biomedicinske poskuse, ki že desetletja potekajo na Mednarodni vesoljski postaji (ISS), preoblikovali v novo vrsto proizvodne dejavnosti. Menijo, da mikrogravitacija ne more izboljšati le izdelave zdravil, temveč lahko revolucionira tudi gojenje matičnih celic, vsadkov, miniaturnih organov in drugih živih snovi. Ta vizija ni nova, a vse bolj izpopolnjeni vesoljski laboratoriji in poceni izstrelitve raket vzbujajo upanje, da bo mikrogravitacija končno postala industrijska rešitev, namesto da bi ostala le znanstvena zanimivost.

»Najpomembnejši razvoj zadnjih nekaj desetletij je bil padec stroškov izstrelitve,« pravi Matthew Weinzierl, ekonomist s Harvard Business School, ki se ukvarja z vesoljskim gospodarstvom. »Če bo več podjetij, kot je Varda, vzpostavilo samostojne proizvodne in raziskovalne zmogljivosti, se bo zgodila podobna revolucija.«

Dajte mi pipete!

Sektor pa se še vedno sooča z vprašanjem, ki desetletja meče senco na vesoljsko industrijo: ali lahko izjemna znanost premaga trdovratne ekonomske realnosti poslovanja, ki poteka več sto kilometrov nad Zemljo. Če se bodo možnosti uporabe izkazale za obetavne, ima panoga potencial, da postane transformativna sila, pravi Weinzierl. A vse to je še negotovo in je v fazi oblikovanja, dodaja.

Odkar ljudje potujejo v vesolje in dlje, vesoljske agencije nenehno oglašujejo izboljšave, uporabne tudi na Zemlji, ki jih dolgujemo tem projektom. A resne fizične in finančne omejitve preprečujejo, da bi to obetavno razvojno področje podrobneje izkoristili. Ko so v 2000-ih začeli graditi ISS, »tudi če bi v vesolje poslal slamo in jo spremenil v zlato, ne bi bilo stroškovno učinkovito,« pravi Rae Silver, nevroendokrinologinja z Univerze Columbia, ki je leta 2002 sopredsedovala delovni skupini NASA, ki je pomagala oblikovati raziskovalne prioritete ISS.

Tudi ko so poskusi dosegli Zemljino orbito, so se morali raziskovalci naučiti, kako prilagoditi laboratorijske tehnike, razvite v razmerah težnosti. Preden se je leta 2009 pridružila astronavtom NASA, je Kate Rubins delala na Inštitutu Whitehead kot vodilna raziskovalka in preučevala genomiko virusov in imunskega sistema. Kot novopečeno astronavtko jo je osupnilo, koliko znanih orodij, na primer pipet, vesoljski raziskovalci še ne uporabljajo, po njenem mnenju nerazumljivo. »Rekla sem: razložite mi fiziko, zakaj ne,« se spominja.

Izkazalo se je, da pipete delujejo odlično, prav tako razširjene plošče s 96 vdolbinicami, ki jih kot miniaturne epruvete uporabljajo za pripravo in shranjevanje vzorcev. Rubinsova odločenost je dala nov zagon raziskavam bioloških znanosti na ISS.

Leta vztrajnega dela so končno obrodila sadove. ISS je postala izpopolnjen orbitalni laboratorij z avtomatiziranimi mikroskopi, standardiziranimi delovnimi postopki in vse boljšim razumevanjem obnašanja celic in molekul v mikrogravitaciji. Pri nekaterih uporabah je lahko mikrogravitacija koristna nova spremenljivka, pravi Rubins, ki zdaj vodi Inštitut Trivedi za vesoljsko in globalno biomedicino Univerze v Pittsburghu.

Vesoljske raziskave za vse

Medtem so padajoči stroški izstrelitev zahvaljujoč SpaceXovim ponovno uporabnim raketam Falcon 9 bistveno pocenili pot v vesolje in uresničevanje idej tam. V reviji PNAS Nexus je julija izšla analiza, po kateri je znašal z inflacijo prilagojen strošek izstrelitve 1 kilograma snovi v vesolje leta 2000 več kot 15.000 dolarjev, do leta 2025 pa se je znižal na manj kot 4000 dolarjev. Napoved študije pravi, da se lahko ob nadaljevanju trendov strošek na kilogram do leta 2030 zniža še za 50 %.

»Dosegli smo novo raven razumevanja in kopičenja znanja,« pravi Michael Roberts, znanstveni direktor Nacionalnega laboratorija ISS. »To pa lahko vodi do hitrejših zdravil in rezultatov tudi tu na Zemlji.«

To je monoklonsko protitelo, ki imunskemu sistemu pomaga napasti tumorske celice. V študiji iz leta 2019 so raziskovalci podjetja Merck poročali, da beljakovine protiteles v mikrogravitaciji tvorijo manjše, bolj enakomerne kristale, kot jih je mogoče doseči s tradicionalnimi proizvodnimi metodami, kar je odprlo pot uporabi zdravila v obliki injekcije namesto dolgotrajnih intravenskih infuzij. Čeprav je Merck injekcijo na koncu na trg poslal z drugačnim (zemeljskim) pristopom, je poskus razkril prednosti mikrogravitacije.

Ta raziskava podjetja Merck je spodbudila tudi ustanovitev podjetja Varda. Na svoji prvi odpravi leta 2023 je podjetje stalilo ritonavir, zdravilo proti HIV, in ga ponovno kristaliziralo kot najmanj stabilno strukturno različico zdravila. Predstavitev je potrdila, da je zdravila mogoče v orbiti obdelovati z avtonomnimi metodami, da zdržijo mesece v vesolju in preživijo tudi žgočo vročino ob vstopu v ozračje.

Z izkoriščanjem pogostih izstrelitev raket SpaceX Falcon 9 si podjetje zdaj prizadeva pospešiti prej izjemno počasen poskusni proces, da bi lahko podprlo komercialne raziskave. »Če podatke o nečem dobimo enkrat na leto, na dve ali na tri leta, je to s poslovnega vidika dokaj težko izvedljivo,« pravi Adrian Radocea, znanstveni direktor podjetja Varda.

Varda ni sama. Leta 2025 je Redwire Space, dolgoletni razvijalec koristnih tovorov za ISS, objavil, da je sklenil dogovor z zagonskim podjetjem ExesaLibero Pharma o proizvodnji ultračistih kristalov poskusnega zdravila za kosti v vesolju, da bi iz njih na Zemlji pridelali večje kristale. Maja je britanski zagon BioOrbit na ISS izstrelil koristni tovor, ki – podobno kot kapsule podjetja Varda – služi avtonomni kristalizaciji zdravil v mikrogravitaciji. Približno ob istem času je Varda objavila partnerstvo s podjetjem United Therapeutics, da bi določili farmacevtske pripravke, pri katerih bi bila orbitalna obdelava lahko koristna.

Malo težnosti, velike prednosti

Po besedah Michaela Reillyja, strateškega direktorja podjetja Varda, bo ena od kapsul podjetja v naslednjih nekaj letih lahko obdelala toliko zdravila, kot ga je potrebno za klinično preskušanje, ki zajema več sto bolnikov. »Naš cilj je pravzaprav to, da vesoljsko zdravilo – v tem primeru zdravilo, ki smo ga proizvedli v mikrogravitaciji – pripeljemo do ljudi,« pravi.

Možnosti mikrogravitacije daleč presegajo posamezne beljakovine in zdravila z majhnimi molekulami. Za LambdaVision, zagonsko podjetje z Univerze v Connecticutu, je cilj izdelati umetne mrežnice iz tankih plasti nenavadne beljakovine, ki zbira svetlobo, znane kot bakteriorodopsin.

Pod vplivom svetlobe bakteriorodopsin črpa protone skozi membrano. V organizmih, ki ga proizvajajo naravno, tako nastali ionski gradient daje energijo. Z zlaganjem tudi do 200 skrbno poravnanih plasti, ki vsebujejo to beljakovino, LambdaVision upa, da bo ustvaril vsadke, ki lahko spodbudijo zdrave celice, ki so ostale v sicer uničeni mrežnici, in tako delno obnovijo vid bolnikom z degeneracijo makule.

Ko je Nicole Wagner, zdaj izvršna direktorica podjetja LambdaVision, leta 2009 sodelovala pri ustanovitvi podjetja, mikrogravitacije še niso upoštevali. Toda po devetih odpravah na ISS so spoznali, da odsotnost usedanja in konvekcije omogoča izdelavo veliko enakomernejših beljakovinskih filmov z bistveno manj odpadka.

Beljakovinski filmi ostanejo stabilni tudi po 6 mesecih, preživetih v orbiti, kar razblinja pomisleke glede poškodb zaradi vesoljskega sevanja. »Vsi drugi pošiljajo stvari gor, da bi jih spremenili. Mi ne želimo, da se beljakovina spremeni,« pravi Wagnerjeva. LambdaVision do leta 2028 načrtuje še pet poletov na ISS in tudi svoj prvi polet zunaj ISS: skupno odpravo, katere cilj je preizkus proizvodnih metod v orbiti na krovu naprave, ki jo gradi zagonsko podjetje Helogen.

Za Catriono Jamieson, direktorico Inštituta za matične celice Sanford na Univerzi v Kaliforniji v San Diegu, privlačnost mikrogravitacije ni v preprečevanju bioloških sprememb, temveč v njihovem pospeševanju. V vesolju se rakave celice lažje organizirajo v tridimenzionalne strukture in hitro aktivirajo procese, povezane z metastaziranjem. Jamiesonova meni, da lahko to dramatično pospeši raziskave novih terapij proti raku. Leta 2024 je na ISS poslala celice raka dojke, da bi preizkusila učinkovitost rebekseniba, poskusnega zdravila proti raku, ki ga je razvilo podjetje Aspera Biomedicines, katerega soustanoviteljica je Jamiesonova. »V 10 dneh smo dobili rezultate, ki bi jih na Zemlji pridobivali 10 let,« pravi.

Bioreaktorji

Tudi druge vrste celic se obnašajo na nove in nenavadne načine, ko se osvobodijo vezi težnosti, pravi Jamiesonova. Matične celice, iz katerih nastanejo vse druge vrste celic, se hitro razmnožujejo in starajo ter aktivirajo odzive na stres, skrite v »temnih« delih genoma – običajno tihih odsekih DNK –, katerih pojav na Zemlji lahko traja precej dlje. »Mikrogravitacija sprosti biologijo stresa in jo pospeši,« pravi strokovnjakinja.

V zadnjih dveh desetletjih so se raziskovalci naučili običajne kožne ali krvne celice reprogramirati v inducirane pluripotentne matične celice (celice iPS), ki imajo vsestranskost tradicionalnih matičnih celic. Arun Sharma, kardiobiolog z medicinskega središča Cedars-Sinai v Los Angelesu, je desetletje preučeval, kako se celice iPS obnašajo v mikrogravitaciji – in kakšne prednosti ima lahko to okolje za njihovo gojenje.

Sharma že od otroštva gleda v nebo, saj je odraščal v Huntsvillu med otroki raziskovalcev in inženirjev, ki so delali v vesoljskem središču NASA Marshall. Kot podiplomski študent je v sodelovanju z Rubinsovo na krovu ISS gojil človeške srčne celice, pridobljene iz celic iPS. Zdaj, kot direktor Raziskovalnega središča za vesoljsko medicino Cedars-Sinai, se Sharma na Zemlji osredotoča na vesolje.

Upa, da se bodo s pomočjo mikrogravitacije iz celic iPS razvili organoidi, torej v laboratoriju gojene skupke celic, ki posnemajo številne lastnosti pravih organov, zato so lahko koristni pri preizkušanju zdravil in drugih terapij, celo pri nadomeščanju živih tkiv. V Sharmovem laboratoriju so sodelavci organoide, gojene na Zemlji, primerjali z njihovimi vrstniki, gojenimi na krovu ISS. Zemeljski organoidi so se zdeli kaotični: njihova velikost je bila neenakomerna, polni so bili odmrlih celic in drobirja. Različice, gojene v vesolju, so bile večje in čistejše. »Njihova oblika je veliko bolj enakomerna in celične smrti je manj,« pravi podiplomska študentka Madelyn Arzt.

Rezultate je mogoče podpreti s preprosto fizikalno razlago. Na Zemlji organoide gojijo v bioreaktorjih, ki celice ohranjajo v nenehno krožeči tekočini, da preprečijo njihovo usedanje. Ta tok lahko zlije skupke celic ali raztrga krhke strukture ravno takrat, ko se začnejo oblikovati. Po Sharmovih besedah v mikrogravitaciji organoidi ostanejo v lebdečem stanju tudi brez kroženja.

Če bo učinek mogoče potrditi, to lahko sproži še eno vesoljsko biološko proizvodno vejo – izdelavo nadomestnih tkiv, gojenih iz celic iPS. Že zdaj potekajo klinična preskušanja, s katerimi ocenjujejo, ali lahko kirurško vsajeni živčni celici, pridobljeni iz celic iPS, pomagajo omiliti simptome Parkinsonove bolezni oziroma ali lahko takšni vsadki srčnih celic izboljšajo odpoved srca. Orbitalni bioreaktorji lahko proizvedejo organoide tako visoke kakovosti kot tiste v Sharmovem poskusu, njihov izkoristek pa lahko močno preseže tistega, ki je trenutno mogoč pri zemeljski proizvodnji.

Zasebne vesoljske postaje

Te možnosti že vplivajo na načrte za vesoljske objekte po ISS. Po 25 letih v orbiti se vesoljska postaja – ki tako v prenesenem kot dobesednem pomenu stoka pod težo napetih mednarodnih partnerstev – počasi poslavlja v pokoj, komercialni nasledniki pa medtem dobivajo obliko. V poslovnem parku v Long Beachu na primer podjetje Vast s polno paro dela na dokončanju postaje Haven-1, komercialne postaje, ki jo namerava Cedars-Sinai že prihodnje leto uporabljati za biomedicinske poskuse.

Sama postaja je zapleteno obdelan aluminijast valj, skoraj tako dolg kot avtobus. Haven-1 bo sprejela le nekaj astronavtov na kratkih, dvotedenskih odpravah. Njen glavni namen je preizkus drugega modela raziskav v orbiti: v njej bo potekalo vse bolj avtomatizirano eksperimentiranje, raziskovalci pa se bodo na postajo odpravljali le občasno, da poskrbijo zanje. »Vsekakor želimo iti v smeri avtomatizacije,« pravi Meghan Everett, vodilna raziskovalka podjetja Vast, ki je bila prej namestnica vodilnega raziskovalca v programu ISS agencije NASA. Vendar pa je na področjih, kjer se še učimo in smo šele v začetni fazi, prisotnost posadke v vesolju resnično velika prednost, dodaja strokovnjakinja.

Ali bodo postaje, kot je Haven-1, lahko postregle cvetoči biološki industriji, je odvisno od precej prozaičnega vprašanja: ekonomičnosti. Leta 2020 je Cedars-Sinai odprl velik objekt za bioproizvodnjo, ki trenutno proizvaja 1500 različnih celičnih linij za modele bolezni in klinična preskušanja celičnih terapij. Po besedah direktorja središča Dhruva Sareena bi ustvarjanje personalizirane celične linije iz celic iPS ter gojenje več milijard celic, na primer za obnovitev celic, ki proizvajajo inzulin, pri enem bolniku s sladkorno boleznijo, trenutno stalo več kot 2 milijona dolarjev in trajalo vsaj 8 mesecev. Vse to izvesti v Zemljini orbiti bi bilo še dražje, pravi Sareen, ki je na ISS že poslal tri koristne tovore, povezane z matičnimi celicami. »Morda bomo lahko zdravili bolezni, a če zdravila ne moremo pripeljati do bolnikov, čemu vse skupaj?« pravi.

Nekateri izdelki pa so lahko dovolj dragoceni, da upravičijo potovanje. LambdaVision v sodelovanju s podjetjem Space Tango, razvijalcem tovora za ISS, proizvaja svoje beljakovinske filme v avtomatizirani 10-kilogramski napravi velikosti škatle za čevlje. Trenutno stane prevoz takšnega koristnega tovora na ISS in nazaj okoli 600.000 dolarjev, pravi Wagnerjeva. Cena elektronskih mrežničnih vsadkov pa je trenutno nad 150.000 dolarjev na oko.

Podjetja, ki upravljajo komercialne vesoljske postaje, pa bodo potrebovala tudi druge vire prihodkov. Vast in njegovi konkurenti poskušajo graditi na gospodarstvu v Zemljini orbiti, v katerem bodo vse vrste plačljivih strank – turisti, raziskovalci, astronavti – množično delale in se zabavale več sto kilometrov nad našimi glavami. »Mogoče nam bo v prihodnosti uspelo uresničiti poslovni model vesoljske proizvodnje,« pravi Roberts. A dodaja: »Nisem med tistimi, ki verjamejo, da bodo takoj, ko bomo ISS umaknili iz uporabe, v vesolju nastale komercialne tovarne, ki bodo izdelovale človeške organe.«

***

Trenutno je velik del pričakovanih gospodarskih načrtov odvisen od velikodušnosti NASA. Agencija pa je na začetku leta izjavila, da ima denar za podporo le ene komercialne vesoljske postaje. »Čeprav vidimo zanimanje vlagateljev, ni neodvisno preverljive tržne raziskave, ki bi podprla ekonomsko sposobnost preživetja komercialne postaje, ki jo NASA financira le delno,« je v marčevskem nastopu povedala vodja programa ISS agencije, Dana Weigel.

Ne glede na to, kaj bo NASA storila po razgradnji ISS, ni verjetno, da bi gospodarstvo v Zemljini orbiti povsem izginilo, pravi Sharma in dodaja, da se zdaj v igro poskuša vključiti ogromno ljudi. Če bodo komercialne vesoljske postaje obtičale, lahko robotske kapsule podjetja Varda do neke mere zapolnijo vrzel – celo več, lahko ponudijo tudi prednosti. Postaje s posadko so ne le dražje, temveč zahtevajo tudi stroge varnostne zahteve, kar omejuje postopke in reagente, ki jih lahko uporabljajo astronavti.

V El Segundu so inženirji v podjetjevem centru za nadzor odprav optimistični. Kapsula Varda je na koncu zdrava in cela pristala v Južni Avstraliji. Podjetje želi ta podvig ponavljati znova in znova: do leta 2027 načrtujejo sedem, do 2028 pa še deset poletov. Kot pravi Jordan Croom, pomočnik direktorja in specialist za tovor: