Wissenschaftler haben einen Weg entwickelt, die menschliche Haut besser vor Weltraumstrahlung zu schützen
Die Erde ist ein Strahlungskokon. In diesem Kokon schützen uns die Atmosphäre und die Magnetosphäre größtenteils vor der Sonnenstrahlung. Etwas ultraviolettes Licht dringt durch und kann uns schädigen. Aber vernünftige Vorsichtsmaßnahmen wie die einfache Minimierung der Exposition können die Strahlung der Sonne in Schach halten.
Aber Platz ist eine ganz andere Sache. Unter den vielen Gefahren, die sie für Astronauten darstellt, muss die allgegenwärtige Strahlung einer Lösung unterzogen werden.
Nun hat ein Forscherteam ein neues Biomaterial zum Schutz von Astronauten entwickelt.
Diese neue Entwicklung dreht sich um Melanine, Pigmente, die in den meisten Lebewesen auf der Erde vorkommen, einschließlich Tieren wie uns. Melanine sind verantwortlich für rote Haare, für das Verfärben von Fruchtbräunen und für die Verdunkelung der Haut nach Einwirkung der UV-Strahlung der Sonne. Und dieser letzte Punkt ist entscheidend für diese Arbeit.
Der Titel der neuen Studie lautet „Selenomelanin: An Abiotische Selenium Analogue of Pheomelanin“. Nathan Gianneschi, Professor für Chemie an der Northwestern University und stellvertretender Direktor des International Institute for Nanotechnology, leitete die Forschung. Wei Cao vom Department of Chemistry at Northwestern ist der Erstautor der Arbeit. Die Studie ist im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Da ehrgeizige Raumfahrtpläne die Astronauten für längere Zeit von der Erde wegführen, sind die Astronauten erhöhten Risiken ausgesetzt. Abgesehen von Katastrophen im Hollywood-Stil sind einige der Gefahren eher chronisch als akut. Genau wie hier auf der Erde ist der Schutz vor Sonneneinstrahlung im Laufe der Zeit wichtig.
„Angesichts des gestiegenen Interesses an der Raumfahrt und des allgemeinen Bedarfs an leichten, multifunktionalen und strahlenschützenden Biomaterialien sind wir vom Potenzial von Melanin begeistert.“
Leitender Forscher Nathan Gianneschi, Professor für Chemie, Northwestern University
Aber das Risiko im Weltraum ist viel größer. Außerhalb des Erdkokons sind Astronauten viel mehr Strahlung ausgesetzt. Nicht nur von der regelmäßigen, stetigen Leistung der Sonne, sondern auch von Sonneneruptionen und sogar kosmischer Strahlung. Der Weltraum ist voller Gefahren ionisierende Strahlung .
Ionisierende Strahlung kann sich entweder als Teilchen oder als Wellen ausbreiten. Es hat genug Energie, um Elektronen von Atomen und Molekülen abzulösen, was für Lebewesen eine schlechte Nachricht ist. Strahlung wie Radiowellen, Mikrowellen und WLAN sind nicht ionisierend, während Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen ionisierend sind. Bildnachweis: Von Spazturtle – Eigene Arbeit, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45834629
Wenn Astronauten Zeit außerhalb der niedrigen Erdumlaufbahn verbringen, sind sie durch diese Strahlung größeren Risiken ausgesetzt: Krebs und andere degenerative Krankheiten, Strahlenkrankheit und sogar zentralnervöse Auswirkungen, laut NASA. Tatsächlich sagt die NASA, dass Astronauten Strahlungsdosen von 50 bis 2.000 Millisievert (mSv) ausgesetzt werden können. Aber selbst 1 mSv entspricht ungefähr drei Röntgenaufnahmen des Brustkorbs, so dass Astronauten zwischen 150 und 6000 Röntgenaufnahmen des Brustkorbs ausgesetzt sind. (Würden Sie sich dafür anmelden?)
Wir könnten Astronauten in Blei einschließen – oder sie wie Röntgentechniker in Krankenhäusern hinter Bleischilde stecken – und sie wären geschützt. Das Problem ist, wie können Astronauten all ihre Aufgaben erfüllen und gleichzeitig vor all der gefährlichen Strahlung geschützt sein?
Blei ist auch extrem schwer und es ist unpraktisch, Blei zur Strahlenabschirmung in den Weltraum zu schleudern. „Es ist unwahrscheinlich, dass wir dedizierte strahlungsabschirmende Masse fliegen können“, sagte Kerry Lee von der Johnson’s Space Radiation Analysis Group der NASA in einem Bericht für Missionen wie Artemis Pressemitteilung .
Blei wird häufig verwendet, um Menschen und Dinge vor starker Strahlung zu schützen. Der Grund, warum es so effektiv ist, ist seine hohe Dichte und sein Gewicht. Das macht die Nutzung auch problematisch. Bildnachweis: Von Changlc – Eigenes Werk, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=599629
Das führte zum Interesse an Melanin.
„Angesichts des gestiegenen Interesses an der Raumfahrt und des allgemeinen Bedarfs an leichten, multifunktionalen und strahlenschützenden Biomaterialien sind wir vom Potenzial von Melanin begeistert“, sagte der leitende Forscher Nathan Gianneschi in a Pressemitteilung . „Unserem Postdoktoranden Wei Cao kam der Gedanke, dass selenhaltiges Melanin einen besseren Schutz bieten würde als andere Melaninformen. Dies führte zu der faszinierenden Möglichkeit, dass dieses noch unentdeckte Melanin sehr wohl in der Natur vorkommen könnte und auf diese Weise verwendet wird. Also haben wir den Entdeckungsteil übersprungen und beschlossen, ihn selbst zu machen.“
Auf der Erde produzieren wir mehr Melanin, wenn unsere Haut UV-Strahlung ausgesetzt ist. Dadurch wird die Haut dunkler und die Melaninpigmentierung absorbiert Licht effektiv. Tatsächlich kann es bis zu 99,9 % der UV-Strahlung absorbieren.
Forscher wissen bereits, dass Melanin das Potenzial hat, Astronauten vor Strahlung zu schützen. Ein separates Forschungsteam ist mit Proben experimentieren davon auf der Internationalen Raumstation, um zu sehen, wie es auf die dortige Strahlung reagiert, die nicht nur UV-Strahlung, sondern energiereichere Strahlung wie Röntgenstrahlen ist.
Illustration von Artemis-Astronauten auf dem Mond. Der Mond hat keine Magnetosphäre oder Schutzatmosphäre, daher müssen Artemis-Astronauten und alle Astronauten, die auf einer zukünftigen Mondbasis arbeiten, vor ionisierender Strahlung geschützt werden. Credits: NASA
Aber es gibt verschiedene Arten von Melaninen. Der auf der ISS getestete ist eigentlich ein Verbund aus Pilzmelanin und Polymeren. Der leitende Forscher dieser Arbeit ist Radamés J.B. Cordero von Johns Hopkins. „Das Ziel wird es sein, aus Melanin Biomaterialien zu schaffen, die von der Natur inspiriert sind. Lamm erklärt . 'Wir sehen, ob wir die Biologie nachahmen und von der Biologie zu unserem Vorteil lernen können.'
Aber diese neue Forschung geht in eine etwas andere Richtung, indem sie Melanin betrachtet, das mit . angereichert ist Selen . Selen hat eine interessante Beziehung zu Licht und wird als Pigment, in der Glasherstellung, in Röntgendetektoren und in Solarzellen verwendet. Es ist klar, dass mit Selen etwas nicht stimmt, wenn es um Strahlung geht.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Selenverbindungen Tiere vor Röntgenstrahlen schützen können. Daher fragte sich das Team hinter der neuen Arbeit, ob die Kombination von Melanin mit Selen eine neue Möglichkeit zum Schutz von Astronauten ergeben würde.
Anstatt wer weiß wie lange damit zu verbringen, die Verbindung irgendwo in der Natur zu finden, beschlossen sie, ihre eigenen Verbindungen in einem Labor herzustellen. Sie synthetisierten ein neues Biomaterial, das sie „Selenomelanin“ nennen. Sie behandelten Zellen mit dem neuen Material sowie Zellen, die mit synthetischem Phäomelanin und Eumelanin behandelt wurden. Sie verwendeten auch Zellen ohne schützendes Melanin als Kontrollgruppe.
Dann kam die Strahlung. Sie setzten alle Zellen einer Strahlendosis aus, die für einen Menschen tödlich wäre. Das Ergebnis? Nur die mit ihrem synthetisierten Selenomelanin behandelten Zellen zeigten irgendwelche normalen Zellzyklen.
Mit Selenomelanin-Nanopartikeln behandelte menschliche Zellen. Bildnachweis:
Nordwestliche Universität
„Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass Selenomelanin einen hervorragenden Strahlenschutz bietet“, sagte Gianneschi. „Wir fanden auch heraus, dass es einfacher ist, Selenomelanin als Phäomelanin zu synthetisieren, und was wir geschaffen haben, war dem in der Natur vorkommenden Melanin näher als synthetisches Phäomelanin.“
Es wird besser.
Das Team fand auch heraus, dass das Selenomelanin dieses Teams im Gegensatz zu den Proben, die von einem separaten Forschungsteam zur ISS geschickt werden und deren Herstellung teuer ist, biosynthetisiert . Das bedeutet, dass lebende Zellen es produzieren können, wenn sie mit den richtigen Nährstoffen gefüttert werden. Und das biosynthetisierte Selenomelanin behält seine schützenden Eigenschaften.
„Mit einer reichlich vorhandenen Selenquelle in der Umwelt konnten sich einige Organismen durch die positive Wirkung von Selenomelanin an extreme Umstände wie die Strahlung anpassen“, sagte Gianneschi.
„Unsere Arbeit weist auf die Möglichkeit hin, dass Melanin als Speicher für Selen fungieren und dazu beitragen kann, dass Organismen davon profitieren“, sagte Cao. „Selenomelanin könnte eine wichtige Rolle dabei spielen, wie Selen metabolisiert und biologisch verteilt wird. Es ist ein Bereich für weitere Untersuchungen.“
Diese Entdeckung könnte zu einem besseren Schutz für Astronauten – und strahlungsempfindliche Materialien – im Weltraum führen. Das Forscherteam stellt sich ein topisches Material wie Sonnenschutzmittel vor, das auf die Haut oder Materialien zum Schutz aufgetragen werden kann.
Mehr:
- Pressemitteilung: Neues Biomaterial könnte vor schädlicher Strahlung schützen
- Forschungsbericht: Selenomelanin: Ein abiotisches Selen-Analogon von Phäomelanin
- Universum heute: NASA unbeeindruckt von der Bedrohung durch Weltraumstrahlung