Arbeitsgruppe Astrobiologie

Astrobiologie ist eine Naturwissenschaft, die sich mit dem Studium des Ursprungs, der Evolution, der Ausbreitung und der Zukunft des Lebens im Universum beschäftigt. Astrobiologie ist interdisziplinär und umfasst u.a. Biologie, Chemie, Physik, Geowissenschaften, Planetenforschung und Astronomie. Ziel dieser Forschungen ist es, Erkenntnisse über den Ursprung und die Evolution des Lebens auf der Erde, im Sonnensystem und im Universum zu erlangen und herauszufinden, ob und auf welche Weise Leben außerhalb der Erde existiert oder existieren könnte. In Anbetracht laufender und in Vorbereitung befindlicher internationaler astrobiologischer Explorationsmissionen, zu denen auch das DLR wesentlich beiträgt, sind dabei unser Nachbarplanet Mars sowie die Eismonde des äußeren Sonnensystems, hier Europa und Enceladus, von besonderem Interesse. Die zentrale astrobiologische Frage ist, ob die Entstehung von Leben zwangsläufig erfolgt und somit, wie die Gesetze der Physik und Chemie, als universell betrachtet werden kann oder ob es sich um ein einmaliges Zufallsereignis im Universum handelt. Die wichtigsten Fragen in der Astrobiologie sind: (i) Wie können wir Habitabilität definieren? (ii) Gibt es Leben auf anderen Planeten und Monden in unserem Sonnensystem und darüber hinaus? (iii) Wo und wie sollen wir nach Spuren von früherem oder heutigem Leben suchen?

In der Arbeitsgruppe ‚Astrobiologie‘ im Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln (Gruppenleiterin Petra Rettberg) wird seit der Apollo-Ära astrobiologische Forschung mit Schwerpunkt Biologie betrieben. Dabei werden die zellulären und molekularen Auswirkungen von extremen Umweltfaktoren, wie sie im Weltraum und auf anderen Planeten und Monden vorkommen, auf Mikroorganismen untersucht. Beispiele für habitabilitäts-relevante Parameter sind ionisierende und nicht-ionisierende Strahlung, hohe und tiefe Temperaturen, niedrige Drücke, Vakuum, niedrige Wasseraktivität, oxidierende Verbindungen, hohe Salzkonzentationen, unterschiedliche Schwerkraft, aber auch Untersuchungen zum Mikrobiom von bemannten Habitaten wie der ISS oder zum Mikrobiom von Nutzpflanzen in einem abgeschlossenen Gewächshaus in der Antarktis (EDEN ISS - Ground Demonstration of Plant Cultivation Technologies for Safe Food Production in Space). Ein wichtiger Aspekt sind auch Aktivitäten auf dem Gebiet des Planetenschutzes (planetary protection), bei dem die biologische Belastung und die Diversität von Mikroorganismen auf Raumfahrzeugen und in Reinräumen ermittelt und an internationalen Regelwerken und Standards zu Planetenschutzmaßnahmen mitgearbeitet wird (PANEL ON PLANETARY PROTECTION (PPP)).

Die experimentellen Arbeiten erfolgen in mikrobiologischen Labors, in Planeten- und Weltraumsimulationsanlagen, durch die Teilnahme an Feldstudien, in Form von Experimenten im Weltraum, z.B. auf der ISS, und durch die Beteiligung an internationalen Weltraummissionen wie ExoMars2020. Ergänzt werden diese Aktivitäten durch die Mitarbeit bei der Entwicklung von relevanten Technologien, z.B. zur Plasma-Dekontamination von Raumfahrzeugen, oder zur Optimierung antimikrobieller Oberflächen.

Links:

Astrobiologie-Weltraumsimulationsanlagen im DLR in Köln - https://www.dlr.de/Spacesim

Laufende, geplante und abgeschlossene Weltraumexperimente der Abteilung Strahlenbiologie

Mikroorganismen unter dem Eis? (Frau Dr. Petra Rettberg im Interview beim Sender HYPERRAUM.TV)

Beispiele von aktuellen Projekten:

EDEN ISS Antarktis-Mission 2021 für eine sichere Lebensmittelproduktion im Weltraum

Im Jahr 2021 wurde die zweite Bewirtschaftungskampagne im EDEN ISS Gewächshaus in der Antarktis durchgeführt. Von Januar 2021 bis Januar 2022 wurde das Gewächshaus von der NASA-Gastwissenschaftlerin Jess Bunchek erfolgreich betrieben. Die Arbeitsgruppe Astrobiologie konzentrierte sich in der zweiten Kampagne auf die mikrobielle Quantität und Diversität in Oberflächenproben aus dem Gewächshaus und in Flüssigproben aus den Nährstofftanks der Pflanzen. Zudem wurde die Effizienz von Reinigungsverfahren aus mikrobieller Sicht hin untersucht. Im April 2022 kamen alle Proben (Oberflächenwischproben und Flüssigproben) am DLR Köln an. Ein erster Probensatz ist mittlerweile ausgewertet und entspricht den Daten der ersten Kampagne. Die Auswertung der restlichen Proben dauert noch an.

Fremde Welten – fremdes Leben? Wie schützen wir sowohl astrobiologisch interessante Planeten und Monde als auch unsere Erde? - Planetenschutz

Die international anerkannten COSPAR (Committee on Space Research) Planetary Protection-Grundsätze und -Richtlinien wurden in Kraft gesetzt, um die unbeabsichtigte Kontamination von anderen habitablen Planeten und Monden in unserem Sonnensystem zu verhindern und um die Erde vor möglicherweise schädlichen extraterrestrischen Agentien zu schützen. Für die Einhaltung dieser Richtlinien ist es erforderlich, dass die biologische Belastung und die Biodiversität von Raumfahrzeugen während der verschiedenen Schritte des Zusammenbaus und Tests regelmäßig überwacht und kontrolliert werden. Die Astrobiologie-Gruppe führt seit 2003 Planetary Protection Verification Assays im Auftrag von ESA durch, aktuell gerade für die ExoMars2020-Mission, führt Messungen der biologischen Belastung bei Instrumenten von anderen Weltraummissionen durch, evaluiert mikrobiologische Nachweismethoden und trägt zur Erarbeitung von internationalen Planetenschutz-Richtlinien und -Standards bei. (s. PANEL ON PLANETARY PROTECTION (PPP) und The COSPAR Panel on Planetary Protection Role, Structure and Activities).

Kalt und salzig: kann es Leben in den Ozeanen der Eismonde geben? - Das Weltraumexperiment IceCold

Das Weltraumexperiment IceCold (Investigating Cold adapted organisms as model organisms for a Europa ocean environment in CubeSat based hardware, Team-Koordinator Elke Rabbow) wurde von ESA ausgewählt und für die Durchführung im Jahr 2022 eingeplant. IceCold wird die ESA EXPO External Exposure Platform auf Bartolomeo, ISS, nutzen, um die Hypothese zu testen, dass extremophile salz- und kälteangepasste Organismen aus den drei Domänen des Lebens die harschen Umweltbedingungen des Weltraums und der Eismonde, hier im Besonderen ionisierende Strahlung, kurzwellige solare UV-Strahlung, niedrige Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie hohe Salzkonzentrationen überleben und sich möglicherweise unter diesen Bedingungen vermehren können. Als Testorganismen wurden Halorubrum lacusprofundi, Rhodotorula JG-1b und Rhodococcus JG-3 (von L. White, Canada, zur Verfügung gestellt), Halobacterium salinarum, Deinococcus radiodurans und geothermalis sowie der mikrobielle Weltraumveteran Bacillus subtilis ausgewählt. Zur Zeit wird die experimentspezifische Hardware entwickelt und gestestet und mikrobielle Basisdaten erhoben.

Beeinflusst die Schwerelosigkeit unser DNA-Reparatursystem? - Das Weltraumexperiment LUX-in-Space

Im Weltraumexperiment LUX-IN-SPACE (Kinetics of enzymatic repair reactions after irradiation under microgravity by use of a rapid bioluminescence-based bacterial genotoxicity assay, Team-Koordinator Petra Rettberg) wird die Reparatur von strahlungsinduzierten DNA-Schäden in Schwerelosigkeit auf der internationalen Raumstation (ISS), mit Hilfe eines vom DLR in Köln entwickelten bakteriellen Reporter-Assays als schnellem Genotoxizitätstest, untersucht. Sowohl das Setzen des Strahlenschadens als auch die enzymatische Reparatur wird in Schwerelosigkeit erfolgen. Dabei wird die Reparaturkinetik in Schwerelosigkeit mit einer 1g-Kontrolle im Weltraum und mit einer 1g-Kontrolle am Boden verglichen werden. Dieses Experiment ist für die ESA Biolab Facility im Columbus-Modul vorgesehen. Derzeit wird die experimentspezifische Hardware entwickelt und gestestet und mikrobielle Basisdaten erhoben.

Anaerobe Mikroorganismen von der Erde: sind sie dem Mars gewachsen? - Das Weltraumexperiment MEXEM

Das Weltraumexperiment MEXEM (Mars Exposed Extremophiles Mixture, Team-Koordinator Petra Rettberg) ist eine Fortsetzung und Ergänzung des MASE-Projekts (Mars Analogues for Space Exploration, s. http://www.mase-eu.org/). Der Beginn des passiven Expositionsexperiments in der neuen EXPO Facility von ESA außen auf der internationalen Raumstation ist für das Jahr 2023 vorgesehen. In MEXEM wird die Hypothese getestet, dass Organismen aus sauerstoffarmen bzw. anoxischen natürlichen Proben von Mars-analogen Standorten auf der Erde, künstlich hergestellten anaeroben mikrobiellen Gemeinschaften und isolierten Stämmen, einschließlich Viren und Ciliaten sowie von der ISS isolierten Bakterien, nicht nur gegenüber den spezifischen extremen Umweltbedingungen resistent sind aus denen sie stammen, sondern auch gegenüber den kombinierten Mars-relevanten Stressfaktoren, weil sie über sehr effektive Anpassungs- und Reparaturmechanismen verfügen. Desweiteren werden auch künstlich fossilisierte Stämme untersucht. Zur Zeit werden für das Weltraumexperiment geeignete Stämme identifiziert und erste Vorversuche durchgeführt.

Beispiele von abgeschlossenen Projekten:

Das Projekt EDEN-ISS

Das EU-Projekt EDEN ISS (2015 – 2019; EC-H2020, Grant agreement n° 636501) wurde von einem internationalen aus Wissenschaftlern und Industriepartnern bestehenden Projektteam erfolgreich durchgeführt. Es beschäftigte sich mit der Entwicklung und Optimierung von Pflanzenanbautechnologien und Betriebsverfahren für eine sichere Lebensmittelproduktion an extremen Standorten, z.B. an Bord der internationalen Raumstation oder in künftigen Habitaten auf der Oberfläche anderer Planeten und Monde. Dazu wurde das teilautonome EDEN-ISS-Gewächshaus in der Antarktis in der Nähe der deutschen Neumeyer-Station III aufgebaut und für mehrere Monate betrieben. Während der aktiven Bewirtschaftungsphase wurden im Rahmen des Projekts systematisch mikrobiologische Proben von den verschiedenen kultivierten Nutzpflanzen, vom Nährstoffverteilungssystem und von den Gewächshausoberflächen genommen und im Anschluß in Köln analysiert. Die Bestimmung sowohl der Menge als auch der Diversität der pro- und eukaryotischen Organismen erlaubt die Abschätzung möglicher Risiken durch den Konsum der in einem abgeschlossenen Gewächshaus erzeugten Nahrungsmittel.

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Das Projekt MASE

MASE (Mars Analogues for Space Exploration) war ein vierjähriges EU-finanziertes Projekt (2014 – 2017; EC-FP7, grant agreement n° 607297). Das internationale Projektteam identifizierte Mars-analoge Gegenden in verschiedenen europäischen Ländern und charakterisierte sie im Hinblick auf ihre chemischen, geologischen und mineralogischen Besonderheiten. Die von dort gewonnenen Umweltproben wurden einerseits metagenomischen Untersuchungen unterzogen, andererseits wurden aus den Proben anaerobe Mikroorganismen isoliert. Im Projektzeitraum wurden über 30 Reinisolate gewonnen und eine Auswahl davon im Labor Mars-relevanten Stressfaktoren ausgesetzt. Ein Hauptziel war dabei die Untersuchung der Reaktionen dieser Mikroorganismen nach kombinierter Exposition gegenüber verschiedenen Stressfaktoren (u.a. Trocknung, Strahlung, oxidierende Verbindungen) in der Abwesenheit von Sauerstoff. Ein Teil von diesen widerstandfähigen Organismen wird weiterhin im Projekt MEXEM bearbeitet.

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Überleben Mikroorganismen im Weltraum? - Die Weltraumexperimente auf EXPOSE

Können Mikroorganismen im Weltraum überleben und wenn ja, welche Schutzmechanismen helfen ihnen? Könnten sie von einem Planeten auf einen anderen in unserem Sonnensystem übertragen werden? Können Leben oder die Vorstufen von Leben außerhalb der Erde im Weltall entstanden sein? Um der Antwort auf diese und viele andere Fragen der Astrobiologie ein Stück näher zu kommen, wurden in drei ESA EXPOSE-Weltraumexperimenten Mikroorganismen und organische Verbindungen den Weltraumbedingungen im niedrigen Erdorbit (LEO) außen auf der ISS für jeweils mehr als eineinhalb Jahre ausgesetzt. Die ESA EXPOSE-Hardware wurde dabei von internationalen und interdisziplinären Forschergruppen sehr erfolgreich genutzt. Da möglichst keine lebenden Erdorganismen auf andere Himmelskörper wie z.B. bei Missionen zum Mars als „blinde Passagiere“ gelangen sollen, sind die Ergebnisse auch wichtig für den Planetenschutz (Planetary Protection). Auch einige Monde der Planeten des äußeren Sonnensystems gelten als möglicherweise habitabel, somit unterstützen die Ergebnisse auch Planetary Protection-Maßnahmen für Missionen, z.B. zu Enceladus, Europa oder Ganymede.

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Leitung

Dr. rer. nat. Petra Rettberg
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Strahlenbiologie
Tel.: +49 2203 601 4637
Fax: +49 2203 601 3726

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