ORBITÁLNA ALCHÝMIA

Kalifornské El Segundo je už takmer storočie jedným z centier amerického leteckého a vesmírneho priemyslu. Počas druhej svetovej vojny sa v tunajších továrňach vyrábali bombardéry pre tichomorské bojisko. Neskôr sa tu usadili giganti ako Hughes a Northrop, ktorí vyrábali jednu generáciu lietadiel a kozmických lodí za druhou. Dnes v tejto oblasti pôsobia desiatky vesmírnych a technologických startupov. V neďalekom Hawthorne sídli aj SpaceX.

Jedného májového večera sa v nenápadnej budove na východnom okraji El Segunda zišlo približne 50 inžinierov spoločnosti Varda Space Industries. Tentoraz sa nepripravovali na štart, ale na návrat. Jedli studenú pizzu a hrali spoločenské hry, pričom sledovali živý prenos a čakali na správy o stave svojho kozmického zariadenia, ktoré sa nad austrálskou divočinou rútilo k Zemi. „Predstavenie“ sa začalo o 22:59. Kapsula sa pohybovala smerom k Zemi rýchlosťou približne 31.000 kilometrov za hodinu, keď sa oddelila od družice, ku ktorej bola dovtedy pripojená. O 17 minút neskôr vypukol v malej riadiacej miestnosti jasot: prvý padák sa otvoril presne podľa plánu.

Riadiaca miestnosť sa veľmi podobá na strediská NASA a ďalších vesmírnych spoločností, odkiaľ sa riadia pilotované misie, vedecké sondy či komunikačné družice. Slúži však inému účelu: kladú sa tu základy nového vesmírneho odvetvia zameraného na biomedicínu.

Továrne nad našimi hlavami

Spoločnosť Varda vznikla v roku 2021. Za necelých päť rokov navrhla, postavila a dopravila na obežnú dráhu Zeme šesť kapsúl. Táto konkrétna kapsula, vyrobená pre Výskumné laboratórium amerického letectva, slúžila na testovanie tepelne ochranných materiálov. Iné však niesli miniatúrne laboratóriá, ktoré samostatne tavia, rozpúšťajú, ochladzujú a rekryštalizujú farmaceutické zlúčeniny. Na Zemi tieto procesy narúša gravitácia, ktorá v kvapalinách vyvoláva konvekčné prúdenie s tvorbou bublín a spôsobuje usádzanie kryštálov a častíc. Vo vesmíre však neexistuje hore ani dole: teplé kvapaliny nestúpajú a husté častice neklesajú, takže kryštály môžu vznikať v oveľa pokojnejších podmienkach.

Výsledkom sú podľa odborníkov spoločnosti Varda čistejšie a rovnomernejšie kryštály bielkovín a liečiv. V mikrogravitácii navyše môžu vzniknúť aj zlúčeniny, ktoré na Zemi nemožno vyrobiť. Technický riaditeľ spoločnosti Nicholas Cialdella dúfa, že tieto výhody povedú k liekom, ktoré sa budú ľahšie vyrábať, skladovať aj podávať.

Varda je len jedným z príkladov oveľa širšieho úsilia. Výskumníci z akademickej aj priemyselnej sféry sa snažia premeniť biomedicínske experimenty, ktoré už desaťročia prebiehajú na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS), na nový druh výrobného podnikania. Veria, že mikrogravitácia môže nielen zlepšiť výrobu liekov, ale aj zásadne zmeniť pestovanie kmeňových buniek, implantátov, miniatúrnych orgánov a ďalších živých materiálov. Táto vízia nie je nová. Čoraz dokonalejšie vesmírne laboratóriá a lacné štarty rakiet však dávajú nádej, že mikrogravitácia konečne nájde priemyselné využitie a nezostane iba vedeckou zaujímavosťou.

„Najdôležitejšou zmenou za posledných niekoľko desaťročí bol pokles nákladov na štarty,“ hovorí Matthew Weinzierl, ekonóm z Harvard Business School, ktorý sa zaoberá vesmírnou ekonomikou. „Ak viac spoločností ako Varda vybuduje samostatné výrobné a výskumné zariadenia, nastane podobná revolúcia.“

Sem s pipetami!

Odvetvie však stále zápasí s otázkou, ktorá už desaťročia vrhá tieň na vesmírny priemysel: dokáže pozoruhodná veda prekonať neúprosnú ekonomickú realitu podnikania stovky kilometrov nad Zemou? Ak sa možnosti využitia ukážu ako sľubné, toto odvetvie má potenciál priniesť zásadné zmeny, hovorí Weinzierl. Dodáva však, že všetko je ešte neisté a iba sa formuje.

Odkedy ľudia cestujú do vesmíru a čoraz ďalej, vesmírne agentúry neustále vyzdvihujú inovácie, ktoré vďaka týmto projektom nachádzajú využitie aj na Zemi. Dôkladnejšiemu využitiu tejto sľubnej oblasti však bránia značné fyzikálne a finančné obmedzenia. Keď sa v prvom desaťročí 21. storočia začala budovať ISS, „ani keby ste do vesmíru poslali slamu a premenili ju na zlato, ekonomicky by sa to neoplatilo“, hovorí Rae Silver, neuroendokrinologička z Kolumbijskej univerzity. V roku 2002 spolupredsedala pracovnej skupine NASA, ktorá pomohla sformulovať výskumné priority ISS.

Aj keď sa experimenty dostali na obežnú dráhu Zeme, výskumníci sa ešte museli naučiť prispôsobiť laboratórne postupy vyvinuté v podmienkach zemskej gravitácie. Predtým, než Kate Rubins v roku 2009 vstúpila do zboru astronautov NASA, pracovala ako vedúca výskumníčka vo Whiteheadovom inštitúte, kde skúmala genomiku vírusov a imunitného systému. Ako začínajúcu astronautku ju prekvapilo, koľko známych pomôcok vrátane pipiet vesmírni výskumníci ešte nepoužívajú. Považovala to za nepochopiteľné. „Povedala som im, nech mi vysvetlia fyzikálne dôvody, prečo to nejde,“ spomína.

Ukázalo sa, že pipety fungujú bezchybne. Rovnako dobre poslúžili aj bežne používané 96-jamkové platničky, ktorých jamky pri príprave a uchovávaní vzoriek zastupujú miniatúrne skúmavky. Odhodlanie Rubins dodalo biologickému výskumu na ISS nový impulz.

Roky vytrvalej práce napokon priniesli ovocie. ISS sa zmenila na špičkové orbitálne laboratórium s automatizovanými mikroskopmi a štandardizovanými pracovnými postupmi. Vedci zároveň čoraz lepšie rozumejú správaniu buniek a molekúl v mikrogravitácii. Pri niektorých aplikáciách môže byť mikrogravitácia užitočnou novou premennou, hovorí Rubins, ktorá dnes vedie Trivediho inštitút vesmírnej a globálnej biomedicíny na Pittsburskej univerzite.

Vesmírny výskum pre všetkých

Klesajúce náklady na štarty, ku ktorým prispeli opakovane použiteľné rakety Falcon 9 spoločnosti SpaceX, medzitým výrazne zlacnili prístup do vesmíru aj realizáciu nápadov v ňom. V júli vyšla v časopise PNAS Nexus analýza, podľa ktorej náklady na dopravenie jedného kilogramu materiálu do vesmíru po zohľadnení inflácie klesli z viac ako 15.000 dolárov v roku 2000 na menej ako 4.000 dolárov v roku 2025. Ak budú tieto trendy pokračovať, podľa prognózy štúdie môžu náklady na kilogram do roku 2030 klesnúť o ďalších 50 %.

„V porozumení aj v množstve nazbieraných poznatkov sme dosiahli novú úroveň,“ hovorí Michael Roberts, vedecký riaditeľ Národného laboratória ISS. „To môže viesť k rýchlejšiemu vývoju liečby a rýchlejším výsledkom aj tu na Zemi.“

Ide o monoklonálnu protilátku, ktorá pomáha imunitnému systému napádať nádorové bunky. V štúdii z roku 2019 výskumníci spoločnosti Merck uviedli, že protilátkové bielkoviny v mikrogravitácii vytvárajú menšie a rovnomernejšie kryštály, než možno dosiahnuť bežnými výrobnými postupmi. Otvorilo to cestu k podávaniu lieku injekčne namiesto zdĺhavých vnútrožilových infúzií. Hoci Merck napokon uviedol injekčnú verziu na trh pomocou iného, pozemského postupu, experiment poukázal na výhody mikrogravitácie.

Tento výskum spoločnosti Merck bol aj podnetom na založenie spoločnosti Varda. Pri svojej prvej misii v roku 2023 firma roztavila liečivo proti HIV s názvom ritonavir a následne ho rekryštalizovala do jeho najmenej stabilnej štruktúrnej formy. Táto ukážka potvrdila, že liečivá možno na obežnej dráhe spracovávať autonómne, že vo vesmíre vydržia celé mesiace a prežijú aj spaľujúcu horúčavu pri návrate do atmosféry.

Spoločnosť chce teraz využiť časté štarty rakiet Falcon 9 od SpaceX na zrýchlenie dovtedy mimoriadne pomalého experimentálneho procesu, aby tak podporila komerčný výskum. „Ak o niečom získate údaje raz za rok, za dva alebo za tri roky, z obchodného hľadiska sa na tom stavia dosť ťažko,“ hovorí Adrian Radocea, vedecký riaditeľ spoločnosti Varda.

Varda nie je sama. Spoločnosť Redwire Space, ktorá už dlhé roky vyvíja náklady pre ISS, v roku 2025 oznámila dohodu so startupom ExesaLibero Pharma. Vo vesmíre má vyrábať ultračisté kryštály experimentálneho lieku na kosti, z ktorých sa na Zemi budú vytvárať väčšie kryštály. Britský startup BioOrbit v máji vyslal na ISS zariadenie, ktoré podobne ako kapsuly spoločnosti Varda slúži na autonómnu kryštalizáciu liečiv v mikrogravitácii. Približne v tom istom čase Varda oznámila partnerstvo so spoločnosťou United Therapeutics. Spoločne chcú identifikovať liekové prípravky, ktorým by mohlo prospieť spracovanie na obežnej dráhe.

Malá gravitácia, veľké výhody

Podľa Michaela Reillyho, riaditeľa stratégie spoločnosti Varda, bude jedna z jej kapsúl v najbližších rokoch schopná spracovať dostatok liečiva na klinické skúšanie s niekoľkými stovkami pacientov. „Naším skutočným cieľom je podať ľuďom vesmírny liek – v tomto prípade liek, ktorý sme vyrobili v mikrogravitácii,“ hovorí.

Možnosti mikrogravitácie siahajú oveľa ďalej než k jednotlivým bielkovinám a liečivám s malými molekulami. Startup LambdaVision, ktorý vznikol na pôde Connecticutskej univerzity, chce vyrábať umelé sietnice z tenkých vrstiev nezvyčajnej bielkoviny zachytávajúcej svetlo, známej ako bakteriorodopsín.

Bakteriorodopsín pôsobením svetla prečerpáva protóny cez membránu. V organizmoch, ktoré ho prirodzene vytvárajú, takto vzniknutý iónový gradient poskytuje energiu. LambdaVision chce ukladaním až 200 presne zarovnaných vrstiev obsahujúcich túto bielkovinu na seba vytvoriť implantáty, ktoré by stimulovali zvyšné zdravé bunky v inak poškodenej sietnici. Pacientom s makulárnou degeneráciou by tak mohli čiastočne obnoviť zrak.

Keď sa Nicole Wagner, dnešná generálna riaditeľka LambdaVision, v roku 2009 podieľala na založení spoločnosti, s mikrogravitáciou ešte nepočítali. Po deviatich misiách na ISS však zistili, že neprítomnosť usádzania a konvekcie umožňuje vyrábať oveľa rovnomernejšie bielkovinové filmy s podstatne menším množstvom odpadu.

Bielkovinové filmy zostávajú stabilné aj po šiestich mesiacoch na obežnej dráhe, čo rozptýlilo obavy z poškodenia kozmickým žiarením. „Všetci ostatní posielajú veci do vesmíru, aby ich zmenili. My nechceme, aby sa bielkovina zmenila,“ hovorí Wagner. LambdaVision plánuje do roku 2028 ďalších päť letov na ISS aj svoj prvý let mimo nej: spoločnú misiu zameranú na testovanie výrobných postupov na obežnej dráhe v zariadení, ktoré postavil startup Helogen.

Pre Catrionu Jamieson, riaditeľku Sanfordovho inštitútu kmeňových buniek na Kalifornskej univerzite v San Diegu, nie je mikrogravitácia príťažlivá tým, že bráni biologickým zmenám, ale tým, že ich urýchľuje. Nádorové bunky sa vo vesmíre ľahšie usporadúvajú do trojrozmerných štruktúr a rýchlo aktivujú procesy súvisiace s tvorbou metastáz. Jamieson verí, že to môže dramaticky urýchliť výskum nových protinádorových terapií. V roku 2024 vyslala na ISS bunky rakoviny prsníka, aby otestovala účinnosť rebecsinibu, experimentálneho protinádorového liečiva vyvinutého spoločnosťou Aspera Biomedicines, ktorej je spoluzakladateľkou. „Výsledky sme získali za desať dní, zatiaľ čo na Zemi by to mohlo trvať aj desať rokov,“ hovorí.

Bioreaktory

Keď sa vymania z pôsobenia gravitácie, novým a nezvyčajným spôsobom sa správajú aj ďalšie typy buniek, hovorí Jamieson. Kmeňové bunky, z ktorých vznikajú všetky ostatné typy buniek, sa rýchlo množia a starnú. Aktivujú pritom stresové reakcie ukryté v „temných“ častiach genómu, teda v úsekoch DNA, ktoré sú zvyčajne neaktívne. Na Zemi sa tieto reakcie môžu prejaviť až po oveľa dlhšom čase. „Mikrogravitácia uvoľňuje biologické mechanizmy stresovej reakcie a urýchľuje ich,“ hovorí odborníčka.

Za posledné dve desaťročia sa výskumníci naučili preprogramovať bežné kožné alebo krvné bunky na indukované pluripotentné kmeňové bunky, označované ako iPS bunky, ktoré majú všestrannosť klasických kmeňových buniek. Arun Sharma, kardiobiológ z medicínskeho centra Cedars-Sinai v Los Angeles, strávil desaťročie skúmaním toho, ako sa iPS bunky správajú v mikrogravitácii a aké výhody môže toto prostredie priniesť pri ich kultivácii.

Sharma upiera zrak k oblohe už od detstva. Vyrastal totiž v Huntsville medzi deťmi vedcov a inžinierov, ktorí pracovali v Marshallovom stredisku vesmírnych letov NASA. Ako doktorand spolupracoval s Rubins na kultivácii ľudských srdcových buniek získaných z iPS buniek na palube ISS. Dnes ako riaditeľ Centra pre výskum vesmírnej medicíny v Cedars-Sinai skúma vesmír zo Zeme.

Dúfa, že mikrogravitácia pomôže iPS bunkám vytvárať organoidy, teda zhluky buniek vypestované v laboratóriu, ktoré napodobňujú mnohé vlastnosti skutočných orgánov. Mohli by preto poslúžiť pri testovaní liekov a ďalších terapií, či dokonca pri náhrade živých tkanív. Kolegovia v Sharmovom laboratóriu porovnali organoidy vypestované na Zemi s tými, ktoré vyrástli na palube ISS. Pozemské organoidy pôsobili chaoticky: mali nerovnomernú veľkosť a boli plné odumretých buniek a bunkových zvyškov. Tie vesmírne boli väčšie a čistejšie. „Majú oveľa pravidelnejší tvar a odumiera v nich menej buniek,“ hovorí doktorandka Madelyn Arzt.

Výsledky majú jednoduché fyzikálne vysvetlenie. Na Zemi sa organoidy pestujú v bioreaktoroch, v ktorých neustále cirkulujúca kvapalina zabraňuje usádzaniu buniek. Toto prúdenie môže spájať bunkové zhluky alebo roztrhať krehké štruktúry práve vo chvíli, keď sa začínajú tvoriť. V mikrogravitácii podľa Sharmu zostávajú organoidy voľne vznášať aj bez cirkulácie kvapaliny.

Ak sa účinok podarí potvrdiť, mohol by dať vzniknúť ďalšiemu odvetviu vesmírnej biovýroby: produkcii náhradných tkanív vypestovaných z iPS buniek. Už teraz prebiehajú klinické skúšania, ktoré hodnotia, či chirurgicky implantované nervové bunky získané z iPS buniek môžu zmierniť príznaky Parkinsonovej choroby a či podobné implantáty zo srdcových buniek môžu pomôcť pri srdcovom zlyhávaní. Orbitálne bioreaktory by mohli produkovať rovnako kvalitné organoidy ako tie zo Sharmovho experimentu, a to v množstvách, ktoré výrazne prevyšujú súčasné možnosti pozemskej výroby.

Súkromné vesmírne stanice

Tieto možnosti už ovplyvňujú plány vesmírnych zariadení, ktoré prídu po ISS. Po 25 rokoch na obežnej dráhe sa stanica, ktorá v prenesenom aj doslovnom zmysle stoná pod ťarchou napätých medzinárodných partnerstiev, pomaly chystá do dôchodku. Jej komerční nástupcovia medzitým nadobúdajú konkrétnu podobu. Spoločnosť Vast napríklad v kancelárskom parku v Long Beach intenzívne pracuje na dokončení komerčnej stanice Haven-1, ktorú chce Cedars-Sinai využívať na biomedicínske experimenty už v roku 2027.

Samotná stanica je zložito opracovaný hliníkový valec takmer rovnako dlhý ako autobus. Haven-1 bude prijímať len niekoľko astronautov na krátke, dvojtýždňové misie. Jej hlavným cieľom je otestovať iný model výskumu na obežnej dráhe: budú v nej prebiehať čoraz viac automatizované experimenty a výskumníci ju navštívia len občas, aby sa o ne postarali. „Rozhodne chceme smerovať k automatizácii,“ hovorí Meghan Everett, vedúca vedecká pracovníčka spoločnosti Vast, ktorá predtým zastávala funkciu zástupkyne vedúceho vedeckého pracovníka programu ISS v NASA. Dodáva však, že v oblastiach, v ktorých sa ešte len učíme a sme iba na začiatku, je prítomnosť posádky vo vesmíre naozaj veľkou výhodou.

To, či stanice ako Haven-1 dokážu slúžiť prosperujúcemu biopriemyslu, závisí od oveľa prozaickejšej otázky: ekonomickej návratnosti. Cedars-Sinai v roku 2020 otvorilo veľké biovýrobné zariadenie, ktoré dnes produkuje 1.500 rôznych bunkových línií pre modely chorôb a klinické skúšania bunkových terapií. Podľa riaditeľa centra Dhruva Sareena by dnes vytvorenie personalizovanej bunkovej línie z iPS buniek a vypestovanie miliárd buniek stálo viac ako dva milióny dolárov a trvalo najmenej osem mesiacov. Takéto množstvo by bolo potrebné napríklad na obnovu buniek produkujúcich inzulín u jediného pacienta s cukrovkou. Uskutočniť to všetko na obežnej dráhe Zeme by bolo ešte drahšie, hovorí Sareen, ktorý už na ISS dopravil tri náklady súvisiace s kmeňovými bunkami. „Možno dokážeme liečiť choroby, ale ak nedokážeme dostať liečbu k pacientom, aký to má celé zmysel?“ pýta sa.

Niektoré produkty však môžu mať dostatočnú hodnotu na to, aby sa cesta oplatila. LambdaVision vyrába svoje bielkovinové filmy v spolupráci so spoločnosťou Space Tango, ktorá vyvíja náklady pre ISS, v automatizovanom desaťkilogramovom zariadení veľkosti škatule od topánok. Doprava takéhoto nákladu na ISS a späť dnes stojí približne 600.000 dolárov, hovorí Wagner. Cena elektronických implantátov sietnice pritom v súčasnosti presahuje 150.000 dolárov na jedno oko.

Prevádzkovatelia komerčných vesmírnych staníc však budú potrebovať aj ďalšie zdroje príjmov. Vast a jeho konkurenti sa snažia stavať na ekonomike na obežnej dráhe Zeme, v ktorej budú stovky kilometrov nad našimi hlavami vo veľkom pracovať a zabávať sa najrôznejší platiaci zákazníci: turisti, výskumníci aj astronauti. „Je možné, že v budúcnosti sa nám podarí vytvoriť fungujúci obchodný model vesmírnej výroby,“ hovorí Roberts. Dodáva však: „Nepatrím k tým, ktorí veria, že hneď po vyradení ISS začnú vo vesmíre okamžite vznikať komerčné továrne vyrábajúce ľudské orgány.“

***

Veľká časť ekonomických plánov dnes závisí od štedrosti NASA. Vesmírna agentúra však začiatkom roka vyhlásila, že má peniaze na podporu iba jednej komerčnej vesmírnej stanice. „Hoci vidíme záujem investorov, neexistuje nezávisle overiteľný prieskum trhu, ktorý by potvrdzoval ekonomickú životaschopnosť komerčnej stanice financovanej NASA iba čiastočne,“ uviedla v marcovej prednáške Dana Weigel, riaditeľka programu ISS v NASA.

Bez ohľadu na to, čo NASA urobí po vyradení ISS, nie je pravdepodobné, že by ekonomika na obežnej dráhe Zeme úplne zanikla, hovorí Sharma. Dodáva, že do hry sa teraz snaží vstúpiť množstvo záujemcov. Ak sa rozvoj komerčných vesmírnych staníc zastaví, robotické kapsuly typu Varda môžu do istej miery zaplniť medzeru a dokonca ponúknuť aj určité výhody. Stanice s posádkou sú nielen drahšie, ale musia spĺňať aj prísne bezpečnostné požiadavky, ktoré obmedzujú postupy a reagencie dostupné astronautom.

Inžinieri v riadiacom stredisku spoločnosti v El Segunde sú optimistickí. Kapsula Varda napokon bezpečne pristála v Južnej Austrálii. Spoločnosť chce tento úspech opakovať znova a znova: na rok 2027 plánuje sedem letov a na rok 2028 ďalších desať. Ako hovorí Jordan Croom, zástupca riaditeľa pre užitočné zaťaženie: