ISSに向かう、柔らかくて斬新な新しい実験

ノースロップ・グラマン社のシグナス貨物宇宙船は火曜日、粘菌、人間の筋肉細胞、模擬月の岩石用の3Dプリンター部品、その他さまざまな探査科学プロジェクトの品々を国際宇宙ステーションに運ぶ予定だ。

ISSは、ロケットの打ち上げ、微小重力、そして宇宙飛行士による操作が、地球上で既に確立されている現象にどのような影響を与えるかを探求したいと願う科学者たちによって設計された実験を長年にわたり実施してきました。今週打ち上げられるロケットに搭載された実験の背後にある技術は、有人宇宙探査の推進から地球上の健康問題の解決まで多岐にわたります。

3D「レゴリス」プリンターは将来の月面建設に活用される可能性があり、国際宇宙ステーションで培養された筋細胞は、地球上で加齢に伴う筋力低下を治療する薬の開発に役立つかもしれません。一方、粘菌の魅惑的なほど複雑な成長は、主に教育目的であり、その成長過程を追う何十万人もの学生を魅了することを目指しています。

異次元の汚れ

月面や火星に恒久的な構造物を建設する場合、地球から打ち上げた大型で重い資材で組み立てるのは現実的ではありません。そこでNASAは、将来の惑星外基地建設のための建設機械への関心を高めるため、「既存の 資材を耐久性のある居住施設に変える装置とは？」という問いを投げかけました。

メイド・イン・スペースは5年前、ISSに搭載して最初の3Dプリンターを軌道上に送り込んだ。現在、レッドワイヤー（昨年メイド・イン・スペースを買収）は、JSC-1Aと呼ばれる月の堆積物を模擬した建材の板状の印刷実験を行うため、ハードウェアと材料を宇宙に送り込んでいる。このプリンターのヘッドはサワードウブレッドほどの大きさで、既存のプリンター（未来的な電子レンジのように前面が開く幅広の金属製の箱）に取り付けられる。火山玄武岩でできた模擬レゴリスの黒い円筒形のペレットがプリンターに送り込まれ、（おそらく）丈夫な板状のものを押し出す。レッドワイヤーのエンジニアたちは、この機械が地球上で模擬物質を加熱、結合、そして絞り出すことができることを知っている。しかし、微小重力下での性能テストはこれまで行われていない。

宇宙飛行士は、新しい押し出しヘッド、模擬レゴリス、そして印刷予定の3枚のスラブ用の新しいプラットフォームを設置し、部品をISSのプリンターに素早く取り付けます。「いわば、設置してあとは放っておくようなものです」と、Redwireの最高技術責任者であるマイケル・スナイダー氏は言います。「将来の月面における持続可能な製造能力の構築について議論する際には、宇宙飛行士にはできる限り手を出さないでほしいのです。」

微小重力は特有の課題を突きつけます。軌道上の配置を考えると、宇宙ステーションの重力は技術的には地球の重力よりわずか10%弱いだけです。しかし、軌道上を移動するという行為自体が、実際には永続的な無重力状態を作り出します。物体は浮き、熱気は上昇しません。

地球と比べて、月の重力は6倍、火星では約3倍弱い。そのため、ISSの無重力環境でレゴリスを印刷しても地球と測定可能なほどの違いがないのであれば、Redwireは月と火星の重力も問題にならないと推測できるだろうとスナイダー氏は述べている。

研究チームは宇宙でプリンターが詰まったり液漏れしたりすることは予想していない。むしろ、ISSでプリントされたスラブが今年後半に地球で行われる「破壊テスト」でレッドワイヤーの機械的期待を満たすかどうかが主な疑問となる。

ISSでのデモがうまくいけば、スナイダー氏は、レッドワイヤーの3Dプリント技術をアルテミス計画に組み込めることを期待している。アルテミス計画は、NASAが2024年に計画している月への宇宙飛行士の派遣ミッションで、50年以上ぶりの人類の月面到達となる。スナイダー氏は、この技術を他の場所でも活用することを構想している。「正直なところ、火星や太陽系の他の場所も視野に入れています」と彼は言う。

筋肉の減少の治療

宇宙飛行士は軌道上で数ヶ月を過ごす間、体力維持のために1日約2時間の運動を行います。「筋萎縮は言うまでもなく、宇宙飛行士にとって大きな問題です」と、スタンフォード大学医学部の組織工学者であり、「カーディナル・マッスル」と呼ばれるプログラムの主任科学者であるガン・フアン氏は言います。フアン氏は心筋を含む筋再生を専門としており、退役軍人省と協力して外傷性骨格筋損傷の治療法開発に取り組んでいます。

「地球全体の人口全体にとって、より大きな問題はサルコペニアでしょう」と黄氏は言う。サルコペニアとは加齢に伴う筋肉の衰えであり、心臓病などの他の一般的な病気の予後を悪化させる。他の加齢性症候群と同様に、サルコペニアの発症は緩やかで、根本原因を特定するのは困難だ。「サルコペニアは本当にゆっくりと進行するのです」と黄氏は言う。地球上では、実験室の科学者がこれを適切に再現することはできないのだ。

現在、サルコペニアの治療薬としてFDA承認を取得している研究はありませんが、黄氏はその開発プロセスを加速させたいと考えています。彼女のチームは、微小重力によって発育が阻害された筋細胞を用いて、サルコペニアに見られる筋萎縮をより速く再現する実験を開発しました。このスピードこそが、サルコペニア治療薬の有効性をより迅速にスクリーニングする鍵だと黄氏は言います。これは、肥料が痩せた土壌で木の成長を助けるかどうかを調べる実験を早送りするようなものです。

実験ではまず、微小重力が筋細胞の発達を阻害することを確認します。次に、過去の実験で筋肉形成を促進することが示されている2つの化学物質が、その効果を打ち消すことができるかどうかを検証します。

ISSに輸送されるカーディナル・マッスル・プロジェクトでは、4人のドナーから採取した筋幹細胞をスポンジ状のコラーゲン足場に移植する。それぞれの足場は、スパゲッティの約4万分の1の細さのコラーゲンの直線状の繊維（「ナノスケールの麺」と黄氏は言う）で構成されており、この3Dパターンが細胞を「筋管」の列に成長させ、体内の自然な筋線維を模倣する。

細胞は生命維持のための培地に浸された状態で輸送されます。軌道上では、宇宙飛行士がその生命維持液を、筋管が約10個もの細胞に成長できるように設計された培養培地と交換します。1週間にわたり、宇宙飛行士は搭載された顕微鏡を用いて筋細胞の成長を観察し、黄教授のチームはmRNAとタンパク質の集合体（トランスクリプトームとプロテオーム）を、地球上の対応するサンプルおよび臨床的なサルコペニア組織と比較します。これらの詳細から、微小重力下で培養された細胞が、最も基本的な生化学レベルで地球上のサルコペニア細胞と同様に振舞っているかどうかが分かります。

また、インスリン様成長因子-1と15-PGDH酵素を阻害する小分子薬という2つの化学物質が細胞を筋管に成長させるのに役立つかどうかも調べる予定だ。

宇宙における筋萎縮は、地球上で徐々に進行する老化によって引き起こされるサルコペニアと全く同じプロセスではないと黄氏は指摘する（幹細胞ドナーは20代か30代である。老化細胞の培養には独自の課題が伴うためだ）。しかし、細胞生物学において十分な重複領域があるため、データは価値あるものになると彼女は期待している。このシステムは、骨粗鬆症や心血管疾患など、進行の遅い他の疾患の研究にも役立つ可能性がある。黄氏は、宇宙で創薬を加速させるという途方もない可能性を思い描いている。「地球では数十年かかるようなことが、微小重力下では数日か数週間で済むようになるかもしれない」

ル・ブロブ、レスパス

宇宙に送り込まれた実験の一つは、ある意味では「乗客」に近い存在です。フランスでは「ブロブ」の名で知られる多頭粘菌（ Physarum polycephalum）は、スクランブルエッグのような姿をした単細胞の粘菌で、急速に倍の大きさに成長し、点在する地点間の移動に最も効率的な経路をマッピングするといった意思決定を行うことができます。研究者たちは、記憶と学習の基本的なプロセスに関する情報を求めて、この粘菌を研究しています。

粘菌は奇妙な生き物だと、一言で言えば十分だろう。「まるでエイリアンを宇宙に送り返すようなものだ」と、フランス国立科学研究センターの粘菌専門家で、ル・ブロブの今回のフィールドトリップの科学リーダーを務めるオードリー・デュストゥール氏は言う。

デュストゥール氏は過去に、粘菌が空間記憶を形成し、問題を解決する仕組みを解明してきました。2019年の学会で発表した後、フランスの教育関係者から、子どもたちの想像力を掻き立てる国際宇宙ステーション（ISS）向けの科学アウトリーチ実験の設計支援を依頼されました。数年前には、フランス人宇宙飛行士のトーマス・ペスケ氏がISSでレンズ豆を栽培し、遠隔地にいる生徒たちに見せていました。「彼らはもっと…つまり、レンズ豆の栽培自体は良いのですが、もう少し刺激的なことをしたかったのです」とデュストゥール氏は言います。

ル・ブロブは、明るい黄色の糸状体でできた乾燥したエンドウ豆大の網目状の状態で、4つの密閉された金属製の箱に収められ、宇宙へ旅立ちます。休眠中のカビが軌道に乗ると、ペスケ（再び搭乗）が水でル・ブロブを蘇生させます。

1週間にわたり、カメラが10分ごとに粘菌の行動を1秒間のスナップショットで撮影します。この実験では、微小重力下で粘菌が餌に向かって成長する様子を追跡します。今回の場合は、ル・ブロブが様々なシリアルを貪り食う様子です。デュストゥール氏はこの実験結果に関心を抱いていますが、主な目的は教育です。数十万人ものフランスの子供たちが粘菌の成長を追跡し、デュストゥール氏が教室に送った生物と比較することになります。

1週間あればテストには十分だろうとドゥストゥールは予想する。「探検する以外に何もすることがないんです」と、ル・ブロブの気持ちになって考えながら彼女は言う。「3日間は走り回ります。4日目になると退屈し始めて、食べるものがないのでまた休眠状態に戻るんです」

これら3つの実験は、宇宙船用二酸化炭素除去システムの技術デモ、宇宙船および生命維持装置の熱システムに関する流体実験など、他の3つの実験と共に打ち上げられます。ケンタッキー大学の研究者たちは、ISSまで運び上げ、地球への帰還時にシグナス号に搭載される、手頃な価格の3Dプリント製熱シールドの試験も行っています。この熱シールドは貨物宇宙船（ISSからのゴミと共に）に搭載され、大気圏で燃え尽きます。しかし、このシールドは燃え尽きないように設計されているのです。シグナス号から切り離され、着水すると、内部の電子機器が再突入試験のデータを記録します。

ISSへの旅は、8月10日火曜日午後5時56分（東部夏時間）にバージニア州にあるNASAのワロップス飛行施設から打ち上げられる予定です。打ち上げのビデオは、こちらでストリーミングできます。

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