Uzayda Biyomadencilik ve CRISPR

Giriş

CRISPR gen düzenleme teknolojisi DNA dizilerini hedef alarak genetik materyali istenilen doğrultuda değiştirme yeteneğine sahiptir.

Bu teknoloji uzay görevlerinde önemli metallerin kaya cevherlerinden veya maden atıklarından biyomadencilik yöntemleriyle elde edilmesini daha verimli hale getirebilir.

Bu makale uzayda CRISPR teknolojisinin uzaydaki biyomadencilik uygulamaları üzerindeki potansiyelini ele alacaktır.

Asteroit Madenciliği Nedir?

Asteroit ya da uzay madenciliğinin temel amacı Dünya dışı gezegen ve uzay materyallerinden maden elde etmektir.

Dünya’nın yüksek kütle çekimi nedeniyle oluşum sürecinin ardından ağır elementler merkeze doğru gömülmüş ve üst kabukta az miktarda kalmıştırlar. Yakın gelecekte Dünya’daki maden rezervlerinin tükeneceği öngörüsü insanları Güneş sistemindeki ham madenleri çıkarmaya yöneltmiştir.

Teknolojik gelişmelerle birlikte uzayda tespit edilen ve Dünya’da kritik öneme sahip madenlerin nasıl işleneceği ve kullanılacağı önem kazanmıştır. Altın, gümüş, bakır ve platin gibi metallerin Dünya’ya getirilmesi düşünülürken, demir grubu metaller, kobalt ve titanyum gibi metallerin uzay yapılarında kullanılması planlanmaktadır.

Bu doğrultuda Ay yüzeyini kaplayan regolit tabakasının kimyasal süreçlerle işlenebilir ilk materyal olacağı ifade edilmektedir. Ay regolitinde bulunan oksijen ve metaller çıkarıldığında yaşam destek sistemleri veya altyapı kurulumu için hammadde olarak kullanılabilir.

Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) regolitin oksijen üretimi, ısı yalıtımı ve enerji üretiminde kullanılmasına yönelik yoğun çalışmalar yürütmektedir. Regolit, füzyon reaktörlerinde kullanılabilen Helyum-3 elementini barındırmaktadır ve bu element yüksek endüstriyel potansiyeli nedeniyle önemli bir füzyon yakıtıdır.

Uzay madenciliği zorluklar içermektedir ancak gelecekte bu kaynakların insanlık tarafından kullanımı konusunda büyük önem taşımaktadır.

Biyomadencilik Nedir?

1900’lerin ortalarında mikroorganizmaların kaya aşındırma süreçlerindeki rolü keşfedildi ve mikropların karasal cevher yataklarından metal çıkarmak için özellikle kullanılmasına başlandı.

Biyomadencilik, mikroorganizmaların minerallerden ve atıklardan değerli metallerin elde edilmesi ve geri kazanılması amacıyla kullanıldığı bir süreçtir.

Bu yöntem, geleneksel madencilik tekniklerine kıyasla daha sürdürülebilir bir alternatif olarak öne çıkmakta olup çevreye zarar verebilecek kimyasallar ve patlamalar gerektirmemektedir. Biyomadencilik, Dünya’da bakır, altın, çinko, kobalt ve çeşitli elementlerin çıkarılmasında kullanılmaktadır.

Şekil-1. Dünya’da metal cevherlerinin çıkarılması ve geri kazanılması için biyomaden kullanımını içeren işleme yolları. Biyolojik olarak desteklenen süreçler renkli kutucuklarla vurgulanmaktadır. (Image Credit: Gumulya et al. 2022)

Geleneksel madencilik yöntemleri genellikle yüksek enerji tüketimi, çevresel bozulma ve kimyasal kullanımı gibi olumsuz etkiler taşımaktadır. Öte yandan biyomadencilik süreci mikroorganizmaların biyolojik aktiviteleri sayesinde metalleri minerallerden çözerek ve geri kazanarak bu olumsuz etkileri minimuma indirmektir.

Cevher yataklarından metal değerlerini elde etmek ve geri kazanmak için biyomadenciliğin kullanılabileceği çeşitli işleme yöntemleri Şekil-1’de verilmiştir.

Reaktör, varil, yığın ve dökme biyomadencilik yöntemleri cevherlerin patlatılması, taşınması ve ezilmesini içeren bir işlem serisini kapsamaktadır. Reaktör tabanlı süreçler ise genellikle yüksek kaliteli materyaller için uygulanmaktadır.

Aşındırma süreçleri biyoliç ve biooksidasyon olarak bilinen iki ana mekanizmayı içerir. Biyoliç, mikroorganizmaların mineral yüzeylerine yapışarak ve ekstrasellüler polimerik maddeler aracılığıyla mineral çözünmesini sağlar. Biooksidasyon ise planktonik mikropların çözündürme ajanları üretmesi yoluyla gerçekleşir.

Biyoliç mekanizmaları kimyasal reaksiyonlara göre üç gruba ayrılır: redoksoliz (redoks oksidasyon), asidoliz (asidik oksidasyon) ve kompleksoliz (kompleksasyon). Redoksoliz, asidofilik kimyasal litotrofik ototrof demir oksidize edici mikroorganizmalar tarafından sağlanan oksidatif reaksiyonları içerir ve metal sülfürlerinin veya elementel metallerin çözünmesini kolaylaştırır.

• Asidoliz: Minerallerden metallerin çözündürülmesi için inorganik veya organik asitlerin üretimine dayanır ve genellikle asidofilik sülfür oksitleyiciler tarafından gerçekleştirilir.
• Kompleksoliz:  Biyojenik kompleks ajanları ile minerallerin kompleksleşmesini içerir ve nadir toprak elementleri ile altın gibi değerli metallerin çözünmesini sağlar.

Biyomadenciliğin bir diğer önemli uygulama alanı ise elektronik atıkların (e-atık) geri kazanılmasıdır. Elektronik atıklar, son yıllarda hızlı bir şekilde artan bir atık türüdür ve değerli metaller içermektedir.

Geleneksel yöntemlerle bu metallerin geri kazanılması zor ve maliyetli olabilirken biyomadencilik bu süreçte etkin bir çözüm sunmaktadır. Mikroorganizmalar, e-atıkların içerisindeki metallerin çözünmesini ve geri kazanılmasını sağlayarak hem çevre dostu bir yöntem sunmakta hem de ekonomik açıdan fayda sağlamaktadır.

Uzayda Biyomadencilik

Uzay kaynaklarının çıkarılması ve yüksek kalitede metal konsantresi üretilmesi de biyomadenciliğin potansiyel kullanım alanlarından biridir. Bu bağlamda biyomadencilik, yerinde kaynak kullanımı (ISRU) teknolojisi olarak öne çıkmaktadır.

In-Situ Kaynak Kullanımı (ISRU), uzay keşifleri ve kolonizasyon projelerinde, Dünya’dan taşınması güç veya maliyetli olan kaynakların keşif yapılan gezegen veya uydular üzerinde yerinde işlenebilmesi ve kullanılmasını ifade eder.

In-Situ Madencilik, minerallerin ve kaynakların yerinde işlenmesi anlamına gelir. Dolayısıyla çıkartılmak istenilen elementlerin cevher kütlesi içinde çıkarılması nedeniyle cevherin kazılmasını ve öğütülmesini ortadan kaldırır.

Örneğin, Ay veya Mars’ta kurulan kolonilerde, yerel kaynaklardan su, oksijen, enerji ve yapı malzemeleri üretimi için çeşitli teknolojiler ve yöntemler uygulanabilir.

Bu kaynaklar keşif yapılan yerel topraklardan yani atmosferden veya diğer doğal kaynaklardan elde edilirse dünyadan kaynak ve malzeme taşıma ihtiyacı azalır ve sonuç olarak uzun vadeli uzay görevleri ve koloniler için daha sürdürülebilir, ekonomik ve bağımsız olanaklar sağlanır.

Uzaydan elde edilen değerli madenler uzun vadede kritik derece yokluğu çekilen element stoklarını Dünya’ya getirmeye de yardımcı olabilir.

Uzayda Biyomadencilik Çalışmaları

Ay, Yakın-Dünya Asteroitleri (NEA’lar) ve Mars, uzay biyomadenciliği açısından önemli gök cisimleridir. NEA’larda bulunan değerli kaynakların özellikle platin grubu metallerin zenginliği asteroit madenciliği fikirlerinin temelini oluşturmaktadır.

In-Situ (ISRU), Ay regolitleri veya Mars atmosferi gibi yerel kaynakların temel malzemelerin üretimi için kullanılması konseptidir.

Örneğin Ay’da, Ay regolitinde bulunan metaller çıkarılabilir ve sırasıyla yaşam destek sistemleri veya altyapı kurulumu için hammadde olarak kullanılabilir.

Ay ve Cis-lunar (Dünya ve Ay sistemi) uzayda ki altyapı geliştirme amacıyla Ay, Mars ve Yakın-Dünya asteroidleri (NEAs) üzerinde yerinde kaynakların kullanımını hedefleyen sistemler önerilmiştir. Bu sistemler NASA’nın önümüzdeki on yıl içinde Ay’da kalıcı bir insan varlığı kurma misyonuna yardımcı olmayı amaçlamaktadır .

In-Situ Kaynak Kullanımı (ISRU) uzay görevlerinde yerel doğal kaynakların ve atık malzemelerin etkili bir şekilde kullanılmasını sağlayarak kütle, alan ve çevresel kısıtlamaları azaltabilir.

Bu yaklaşım regolit, buz ve volatiller gibi doğal kaynakların yanı sıra astronotların ve uzay çöpü gibi atık malzemeleri de kapsar. Yerel malzemelerin kullanımı ve atıklardan kaynak geri kazanımı görevlerin sürdürülebilirliğini artırabilir.

Küçük ölçekli çoğalabilen ve hedef noktada mevcut besin maddeleriyle büyüyebilen mikroorganizmaların kullanılmasıyla biyolojiye dayalı süreçler enerji ihtiyacını ve kapasite hacmini azaltabilir bu iki ölçüt oldukça önemlidir.

Biyomadencilik mekanizmaları biyoliç ve biooksidasyon olarak bilinen iki ana mekanizmayı içerir. Bioliç ve biooksidasyon süreçleri, mineraller ve diğer materyaller üzerinde çeşitli mekanizmalar aracılığıyla gerçekleşebilir: temas, temas dışı ve işbirlikçi mekanizmalar.

Temas biyoliçi ve biooksidasyon süreçlerinde, mikroorganizmalar mineral yüzeylerine tutunur ve biyoliç reaksiyonları hücreler ile mineraller arasındaki bölgede ekstrasellüler polimerik maddeler matrisinde gerçekleşir.

İşbirlikçi mekanizmalar kapsamında, bağlı mikroorganizmalar planktonik hücreler tarafından kullanılan ara bileşenleri ve diğer bileşenleri serbest bırakır.

Örneğin, sülfür minerallerinin biyoliçinde, indirgenmiş ara sülfür bileşenleri ve kolloidal sülfür formları gibi bileşenler yer alabilir. Nadir toprak fosfatlarının biyoliçinde ise hücreler arasında organik asit üretimi ve fosfat salınımı ve alımı gibi işbirlikçi süreçler söz konusu olabilir.

Bu biyoliç teknolojileri, ikinci dereceden kaynaklardan metal çıkarımı için kullanılmakta olduğu gibi uzay enkazından metal çıkarımı için de uyarlanabilir.

Uzay koşullarında bu biyoliç mekanizmalarının uygulanabilirliği, regolitlerin mineralojik bileşimine ve gerekli besinlerin mevcudiyetine bağlıdır.

Mühendislik çözümleri, örneğin uzay biyoreaktörleri ve genetik olarak modifiye edilmiş mikroorganizmalar biyoliç süreçlerini hızlandırabilir ve uzay minerallerinin işlenmesini mümkün kılabilir. Bu karasal biyomadenlerin uzay ortamında kullanılabilir hale getirilmesine olanak tanır.

Nitekim, Micro-12, Uzay Biyofilmleri ve Bakteriyel Yapışma ve Korozyon üzerine yapılan araştırma, biyofilm oluşumunu ve etkilerini araştırmıştır. Çünkü biyofilm oluşumu biyomaden süreçlerinde metal sızdırmayı hızlandırabileceği için kritik bir rol oynamaktadır.

Ayrıca, Mikrobiyal Metan İlişkili Araştırmalar Strasbourg (MMARS1) ve Hydra-2/MMARS2 deneyleri, Methanosarcina barkeri’nin mikro yerçekimine yanıtını incelemiş ve bu gelecekteki uzay biyomaden uygulamaları için bir başlangıç noktası olarak değerlendirilmiştir.

Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) bu konu hakkında bazı deneyler gerçekleştirilmiştir. Örneğin, ESA’nın BioRock projesi, Sphingomonas desiccabilis, Bacillus subtilis NCBIB 3610 ve Cupriavidus metallidurans CH34’ün mikro yerçekimindeki biyofilm oluşumunu ve bu oluşumların metal sızdırma performanslarını araştırmıştır.

S. desiccabilis‘in nadir toprak elementlerinin sızdırılmasında artırılmış ortalama konsantrasyonlar gösterdiği ve S. desiccabilis ile B. subtilis‘in vanadyum sızdırma oranlarını üç yerçekimi koşulunda artırdığı gözlemlenmiştir.

Ek olarak, Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) MELiSSA yaşam destek projesi biyosolüsyon süreçlerinden elde edilen ana ve yan ürünler, yaşam destek sistemlerindeki biyolojik bölmeleri, insan mürettebatı dahil olmak üzere desteklemek için kullanılabilir.

Şekil-2.MELiSSA proje tasarımına dayanarak biyomadencilik ve biyoliç bölümlerinin ifadesi. (Image Credit: Santomartino et al. 2022)

Biyomadenciliğin Geliştirilmesi

Dünya’da bulunan biyomadencilik mikroorganizmaları mutajenesis ve seçilim teknikleri kullanılarak basınç, sıcaklık, radyasyon ve mikro yerçekimi gibi uzaydaki zorlu koşullara adapte edilebilir.

Regolitin ağır metallerine, radyasyona ve mikrograviteye karşı dayanıklılığı artırmak için metal taşıyıcı genler, DNA onarım genleri ve stres tepkisi genleri gibi genler eklenebilir.

Bu mikroorganizmalar, minerallerden metallerin daha etkili bir şekilde elde edilmesini ve regolitten ekonomik olarak değerli metallerin ayrıştırılmasını optimize etmek için tasarlanabilir.

Ayrıca, yeryüzündeki metal içeren atıkları işleyerek uzay üretim süreçlerinde kullanılacak hammaddeler sağlamak için de bu mikroorganizmalar geliştirilebilir.

Biyomadencilik mikroorganizmaları uzay tıbbı, yaşam destek sistemleri veya yakıt üretimi gibi çeşitli alanlarda kullanılabilir ve gezegenlerin yaşanabilir hale getirilmesi gibi projelerde de uyarlanabilir. Ayrıca, dış uzayı yeryüzü organizmalarıyla kirletme riskini azaltmak amacıyla, örneğin fluoresan etiketler kullanarak özelleştirilebilirler.

Şekil-3. Uzay uygulamaları için biyomadencilik mikroorganizmalarının geliştirilmesinde disiplinlerin şeması. (Image Credit: Gumulya et al. 2022)

Ancak biyomadencilik mikroorganizmalarının genetik modifikasyonu için mevcut araçlar hala sınırlıdır. Buna karşılık düşük maliyetli DNA sentezi, otomatik biyofabrikalarda gen montajı ve CRISPR-Cas9 genom düzenlemesi gibi son teknolojik ilerlemeler uzay uygulamaları için bu mikroorganizmaların geliştirilmesini büyük ölçüde hızlandırabilir.