Las prioridades en las estrategias científicas del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han ido variando con el tiempo, fomentando la expansión de áreas temáticas en las que era más inmediato exportar la idea científica al sector productivo, y en otras la formación de grandes plataformas que puedan atender necesidades de modernización tecnológica, mitigar situaciones de emergencia climática como la Plataforma temática Interdisciplinar (PTI) SusPlast o estar mejor preparados para afrontar amenazas sanitarias como la PTI Salud Global.
Afortunadamente, en el Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC) se mantiene la apuesta por la multidisciplinariedad, con un número importante de grupos de investigación singulares que pueden dar respuesta a diferentes necesidades científicas del futuro para las que el CSIC se está preparando con los Desafíos 2030. Uno de estos grupos es el denominado “Nucleolo, proliferación celular y microgravedad en plantas” en el que, desde hace más de dos décadas, trabajamos activamente en proyectos de investigación que se inscriben plenamente en el Desafío 12. Espacio, Colonización y Exploración. La investigación espacial por definición da respuesta a problemas de relevancia global, y la tecnología en órbita ya contribuye a la mejora de la vida de las personas habilitando las crecientes necesidades de conectividad en la internet de las cosas. También nos permite optimizar la respuesta ante catástrofes climáticas y optimizar los cada vez más escasos recursos de nuestro planeta. En las próximas décadas, haber invertido en investigación espacial será fundamental en el éxito de los objetivos de colonización y explotación de recursos en la Luna y Marte.
Aunque hace más de medio siglo que el hombre llegó a la Luna por primera vez, esta hazaña se llevó a cabo en un contexto político internacional concreto que permitió su realización asumiendo muchos riesgos, pues hacía solo unos pocos años que se había comprobado que la vida fuera de nuestro planeta era posible a corto plazo. Todo el programa espacial subsecuente fue un éxito de colaboración internacional, particularmente con los vuelos shuttle y la Estación Espacial Internacional (ISS), que acaba de celebrar los 20 años de presencia humana continua, desvelando que las alteraciones que sufren los seres vivos cuando se exponen al ambiente del vuelo espacial son sin embargo muy importantes a nivel fisiológico y son acumulativas.
El principal factor del medio ambiente espacial responsable de estas alteraciones es la microgravedad, término que asociamos con la falta de peso, similar a la que se experimenta en caída libre y que observamos en los astronautas que viajan en una nave en órbita. Si en una nave en órbita la fuerza de la gravedad efectiva es muy próxima a 0g, en la Luna la gravedad es 0,17g y en Marte es 0,38g, siendo g la gravedad terrestre. Por tanto, las estancias de larga duración pueden provocar enfermedades graves en los colonos espaciales. Muchas de ellas se asocian en Tierra con el envejecimiento a nivel músculo-esquelético, pero también metabólico, inmunológico y neuronal, pudiendo aparecer antes y más rápido en órbita. Además, precisamente en estancias de larga duración en la Luna o incluso viajes tripulados a Marte, va a ser necesario implementar sistemas de soporte vital que sean en gran parte autónomos (cerrados) para ser sostenibles. Estos sistemas van más allá del mero mantenimiento de la presión atmosférica y el blindaje de la radiación cósmica, comprendiendo también la nutrición (oxígeno y alimentos) y el reciclado de residuos biológicos. Las plantas desempeñan un papel clave en estos sistemas de soporte vital proporcionando humedad, oxígeno y alimento a los astronautas y reciclando el CO2. El Proyecto Melissa, una iniciativa de la Agencia Espacial Europea (ESA) con importante participación española, es un buen ejemplo de diseño del soporte vital para la exploración espacial humana.
Aunque las actividades de Biología Espacial en el CIB Margarita Salas se iniciaron antes, el punto de inflexión para enfocar los objetivos del grupo dirigido por el Dr. Javier Medina hacia el campo de la Biología Espacial fue en octubre de 2003. En colaboración con el grupo de la Universidad Autónoma de Madrid liderado por el Profesor Roberto Marco, participamos en tres experimentos con sistemas modelo animales (Drosophila) y vegetales (Arabidopsis) en la “Misión Cervantes” a la ISS con la participación del astronauta español Pedro Duque. En el experimento AGING confirmamos los resultados de alteración de comportamiento de los insectos en microgravedad asociado a un aumento en el metabolismo energético y el envejecimiento. En el experimento ROOT se detectó por primera vez que la microgravedad desacopla las tasas de crecimiento (disminución) y división (aumento) de las células meristemáticas de la raíz (aquellas que como las células madre de mamíferos son la fuente de nuevas células para la ejecución del plan de desarrollo de la planta). En el experimento GENE se observó un número espectacular de genes desregulados cuando los insectos completan su desarrollo en microgravedad, confirmándose por un lado una velocidad diferente de desarrollo animal en el espacio y por otro un aumento del metabolismo energético y la respuesta a estrés. Aun siendo tres experimentos muy diferentes y con sistemas modelo distintos, todos confirmaron que hay mecanismos moleculares esenciales (proliferación celular, actividad mitocondrial, envejecimiento…) que están muy afectados por el ambiente espacial, incluso en experimentos de solo unos días de duración, pero también que los sistemas biológicos son capaces de adaptarse a este ambiente tan novedoso desde el punto de vista evolutivo. De hecho, en nuestro planeta hay ambientes extremos en los que la vida ha podido evolucionar en condiciones extremas de temperatura, acidez o humedad, pero la gravedad ha permanecido constante desde el inicio de la vida en la Tierra.
Otra conclusión común de los experimentos espaciales de la misión “Cervantes” fue la dificultad de recuperación de muestras biológicas, tanto en cantidad como en las condiciones ideales para poder aplicar las técnicas habituales de análisis que se utilizan en laboratorio. Para compensar esta dificultad se ha potenciado un uso intensivo de herramientas de simulación de microgravedad en Tierra en el marco de programas de la ESA, tanto en los laboratorios más avanzados de Europa (ESTEC- European Space Research and Technology Center, DLR – Centro Aeroespacial Alemán, EFML – European Magnetic Field Laboratory, Universidad de Toulouse, Universidad de Nottingham) como con simuladores más sencillos en nuestro centro. En nuestro laboratorio, los experimentos de simulación han permitido profundizar en las alteraciones en la división celular de las plantas en microgravedad, llegando a localizar algunos mecanismos epigenéticos implicados y qué fases concretas del ciclo celular se alteran. El abordaje experimental que hemos empleado, combinando técnicas de microscopía, citometría de flujo y herramientas ómicas, a nivel de genoma completo hubiera sido inviable si hubiéramos dependido únicamente de muestras espaciales.
Nuestra línea de investigación en Biología Espacial en el CIB Margarita Salas ha alcanzado su cenit en los últimos cinco años con la ejecución del experimento Seedling Growth, un esfuerzo combinado de las agencias espaciales norteamericana (NASA) y europea (ESA) desarrollado en tres misiones espaciales a la ISS. Miles de plántulas han sido expuestas a este ambiente incluyendo plantas mutantes y reporteras, cuyo análisis en nuestro laboratorio nos está ayudando a desentrañar los mecanismos moleculares que controlan la adaptación al ambiente extraterrestre. Además, hemos tenido la oportunidad de controlar las condiciones ambientales con mucha precisión, gracias a la utilización de una instalación (European Modular Cultivation System, EMCS) que nos ha permitido modular el tipo de iluminación como posible contramedida a la falta de gravedad en combinación con niveles de gravedad reducida variable que se proporciona por centrifugación (con los niveles de la Luna o Marte). Los resultados obtenidos, apoyados también en experimentos con herramientas de simulación de la gravedad lunar/marciana en tierra, nos van a permitir atribuir los distintos tipos de genes afectados con cada elemento ambiental en la respuesta de las plantas. El esfuerzo de colaboración internacional liderado por el Dr. Medina a nivel europeo, a pesar de que este proyecto tuvo que ser desarrollado con una financiación nacional muy restrictiva por los efectos de la crisis económica de 2008, ha conseguido el unánime reconocimiento internacional de las principales agencias y sociedades científicas de investigación espacial (ELGRA, ASGSR, COSPAR y NASA) plasmado en la concesión de premios internacionales de alta reputación.
En la actualidad, nuestro grupo está concluyendo la explotación de los resultados científicos de Seedling Growth y estamos preparados para participar en nuevos experimentos espaciales, tras un impasse en las convocatorias por parte de la ESA. Mientras tanto, estamos manteniendo y reforzando nuestras colaboraciones internacionales principalmente con proyectos de simulación en tierra enfocados al estudio del crecimiento de las plantas en el ambiente de una colonia en Marte, con participación de varios grupos franceses y una colaboración nacional con el Dr. Gonzalez Pastor del Centro de Astrobiología (INTA-CSIC). Además, desde el CIB Margarita Salas lideramos los esfuerzos a nivel europeo en publicaciones en ciencias ómicas, y coordino el proyecto Space Omics Topical Team, financiado por la ESA. En este proyecto mantenemos conectada a toda la comunidad de bioinformáticos y biólogos espaciales europeos que trabajan en cualquier sistema biológico para buscar sinergias y elementos comunes en la adaptación al ambiente extraterrestre. Recientemente, hemos coordinado las contribuciones europeas a un conjunto monográfico de publicaciones sobre Biología Espacial en diferentes revistas del grupo Cell Press con nuestros colegas americanos en el proyecto GENELAB.
En definitiva, seguimos trabajando para desvelar si la adaptación al espacio de los seres vivos depende de colecciones de genes concretos o más bien se basa en alcanzar nuevos estados transcripcionales a nivel de genoma completo que faciliten la función biológica en un medio ambiente tan extraordinario. Desde los insectos hasta las plantas, pero también los astronautas y los microbios beneficiosos o patógenos que les acompañan, todos los seres vivos van a tener que estar expuestos fuera de nuestro planeta a unas condiciones ambientales subóptimas que, en conjunto y en interacción, deben provocar una respuesta adaptativa que es necesario conocer, comprender, e incluso modular. Esperamos un fuerte avance en nuestra disciplina científica en los próximos años acorde con su importancia global y en el contexto de cooperación internacional que nos ha proporcionado la Estación Espacial Internacional. Este avance debe ser fruto de la combinación de una actuación coordinada a nivel europeo para la explotación de los datos ómicos existentes, junto a la realización de experimentos técnicamente mejor controlados, tanto en el espacio, como en simulación en Tierra.
Todo ello sentará las bases para que los esfuerzos de exploración y colonización espacial del siglo XXI puedan realizarse con todas las garantías para el soporte vital de los colonos espaciales.
