Alrededor de 40 científicos brasileños de 13 instituciones formaron una red, por ahora informal, con miras a avanzar en un área aún poco explorada en el país: la agricultura espacial. El proyecto cobró impulso después de que la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) y la Agencia Brasileña de Investigación Espacial (AEB) firmaron, en septiembre de 2023, un protocolo de intenciones centrado en el crecimiento de plantas en el espacio, abriendo una oportunidad para que Brasil contribuya al programa Artemis, de la Nasa, la agencia espacial estadounidense. Esta iniciativa prevé, entre otras cosas, la construcción de una base en la Luna como primer paso hacia una futura misión tripulada a Marte. En medio de una nueva carrera espacial librada especialmente contra China, Estados Unidos lanzó en 2020 los Acuerdos Artemis, que establecen directrices generales para la cooperación entre países en la exploración pacífica del espacio. Brasil se sumó hace casi tres años al acuerdo, que actualmente cuenta con la participación de 36 naciones.
Uno de los desafíos de las extensas misiones fuera de la Tierra reside en la producción de alimentos frescos, ya sea en estaciones y naves espaciales o incluso en la Luna y Marte. Iniciativas internacionales han venido apuntando a desarrollar proyectos y prototipos de posibles invernaderos lunares y marcianos. Investigaciones realizadas por la Nada contribuyeron a mejorar el uso de luces led en la agricultura en ambientes controlados y en la estructura de granjas verticales, actualmente instaladas en las ciudades (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 310).
En la Estación Espacial Internacional (ISS), un proyecto conjunto entre las agencias espaciales estadounidense, europea, canadiense, japonesa y rusa, los astronautas ya consumen lechugas, coles chinas, rabanitos, tomates y acelgas, entre otros vegetales cultivados en cámaras ubicadas en dos plataformas de la Nasa, el Sistema de Producción de Vegetales (Veggie) y el Hábitat Vegetal Avanzado (APH). Se está desarrollando una tercera plataforma, Ohalo III, en el Centro Espacial Kennedy en Florida, Estados Unidos.
En la actualidad, los grupos brasileños pretenden aprovechar su experiencia para contribuir en esta área. “Brasil es reconocido internacionalmente por su investigación en agricultura y no hay motivos para no participar en Artemis en un sector en el que somos muy fuertes”, afirma la ingeniera agrónoma Alessandra Fávero, investigadora de Embrapa Ganadería Sudeste, con sede en la ciudad de São Carlos (São Paulo), y líder de la iniciativa.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPGranja vertical de la empresa paulista Pink Farms: las investigaciones de la Nasa contribuyeron en la mejora del uso de luces led en sus instalacionesLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
“Nuestra idea es trabajar en un paquete tecnológico de dos plantas modelo: batata y garbanzo. Pretendemos desarrollar cultivos que estén más adaptados a situaciones desafiantes, como las de un ambiente cerrado, en microgravedad y sensible a la radiación cósmica”. La atmósfera terrestre protege a las plantas y animales contra los distintos tipos de radiaciones ionizantes presentes en el espacio. Es necesario estudiar mejor las consecuencias de una exposición intensa, sin la protección de la atmósfera, como los posibles efectos mutagénicos en los vegetales.
Fávero considera que las plantas y los sistemas ya desarrollados podrían utilizarse tanto en estaciones espaciales como en la Luna y eventualmente en la Tierra. “No solamente en granjas verticales urbanas, sino también en cualquier otro contexto asociado a los cambios climáticos donde tengamos menos disponibilidad de agua o de luz”, sugiere.
La definición de las dos plantas modelo ocurrió después de un año de conversaciones y discusiones entre los investigadores, antes de la formalización del protocolo entre Embrapa y la AEB, en 2023. “Para una colonia extraterrestre o un viaje espacial muy largo, llevar alimentos desde la Tierra es carísimo. Y el espacio de almacenamiento es pequeño”, reflexiona el biólogo Gustavo Maia, de la Universidad Federal de Pelotas (UFPel), en Rio Grande do Sul, uno de los integrantes de la nueva red. Según él, el aspecto nutricional será fundamental para los colonizadores. “Ciertamente no habrá muchos cultivos. Por eso, elegimos las batatas, que aportan hidratos de carbono, y los garbanzos, ricos en proteínas”.
Según el investigador, el hecho de que Brasil tenga un gran banco de germoplasma (muestras de materiales genéticos) de estos cultivos también pesó mucho en la elección de ambos cultivos. “Uno de los grandes desafíos de la agricultura en el espacio es el efecto mutagénico [capaz de alterar el ADN de las plantas] provocado por la radiación cósmica. Someteremos una amplia gama de material genético a estas radiaciones para identificar a las plantas más resistentes”.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPEmbrapa pretende desarrollar nuevos cultivos de garbanzo y batata adaptados al ambiente espacial de microgravedadLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
Otra restricción para crecer en el espacio es la ausencia de fuentes abundantes de agua, oxígeno y nutrientes. Para superar esta barrera, los investigadores deberán seleccionar plantas con alta eficiencia en el uso de agua, luz, nitrógeno y otros nutrientes. Una de las cuestiones consiste en descubrir cuál es el sustrato ideal para que crezcan las plantas. “Como el suelo lunar es muy pobre, pensamos en la hidroponía [el cultivo en agua], aeroponía [con las raíces de las plantas colgantes] e incluso en la fertilización con microorganismos o materia orgánica”, destaca el investigador de la UFPel, especialista en fisiología del estrés en las plantas. Todavía no hay respuestas. “Una cosa es segura: los cultivos no podrán demandar muchos nutrientes.”
Maia es el responsable del Laboratorio de Cognición y Electrofisiología de la UFPel, y normalmente utiliza la soja como base en sus experimentos. En el proyecto, su función consistirá en establecer parámetros fisiológicos para entender cómo pueden comportarse las plantas en las condiciones limitantes del espacio y, de ese modo, ayudar en la selección de los materiales genéticos más adecuados. El grupo también tratará de desarrollar una tecnología de la interfaz planta-computadora para monitorizar remotamente los cultivos en tiempo real, realizar diagnósticos mediante inteligencia artificial y crear un sistema de manejo automático.
“Es como si la propia planta se estuviera adaptando al entorno sin intervención humana directa”, explica Maia. “Ya tenemos un prototipo en el que unos sensores recogen señales bioeléctricas de las plantas, de forma análoga a un electrocardiograma. Con estos datos es posible diagnosticar el estado fisiológico del vegetal. Sabemos si le faltan agua y nutrientes o si tiene alguna enfermedad”, explica. Con la futura interfaz planta-computadora, los investigadores podrán realizar intervenciones remotas en el espacio, resolviendo un problema sin necesidad de que un astronauta manipule directamente el cultivo.
En un artículo publicado en 2021 en la revista Frontiers in Sustainable Food Systems, el equipo de Maia demostró cómo se produce la comunicación interna de las plantas en respuesta al estrés. En el experimento detallado en el trabajo lograron detectar las señales eléctricas que enviaba el fruto (en este caso, un tomate) al resto de la planta cuando era atacada por orugas.
Los investigadores pusieron electrodos en los tallos que sostienen al tomate y notaron diferencias en la actividad eléctrica de los frutos que sufrieron daños. También constataron alteraciones en el análisis bioquímico de los frutos y de las hojas de las plantas atacadas. “No podemos efectuar una asociación directa entre la señal eléctrica generada en el fruto y la respuesta observada, pero es probable que esté relacionada con otras formas de señalización de herbivoría [ataque de un animal] ya establecidas”, escriben los autores. Y arribaron asimismo a la conclusión de que este estudio “puede contribuir a una cosecha y una producción de alimentos más sostenibles”.
Nasa Johnson Space CenterLa astronauta Kayla Barron trabaja en un experimento del proyecto Veggie en el espacioNasa Johnson Space Center
Experimentos en el espacio
Una parte de los experimentos de la recién conformada red brasileña deberá realizarse en universidades y centros de investigación utilizando equipos tales como un clinostato adaptado, un dispositivo que simula las condiciones de microgravedad o ausencia de gravedad. Los investigadores consideran que en algún momento se harán experimentos en la ISS o en alguna nave espacial fuera de la Tierra.
Para ello podrán contar con la experiencia del ingeniero agrónomo Wagner Vendrame, del Departamento de Horticultura Ambiental de la Universidad de Florida, quien también forma parte de la red. Vendrame es especialista en producción y conservación de plantas ornamentales mediante técnicas de criopreservación y micropropagación, y desde 2007 ya ha enviado cinco de sus experimentos al espacio, en colaboración con la Nasa.
Cuatro de ellos estaban con piñón de tempate, también conocido como jatrofa. “Pretendíamos ver de qué manera la microgravedad afectaba a la expresión de ciertos genes. Demostramos que algunos se activan, se expresan más, mientras que otros se reprimen. Algunos cambios fueron permanentes”, asevera Vendrame, egresado de la Universidad de São Paulo (USP). “Al llegar al espacio, la planta se da cuenta de que está en un ambiente estresante y comienza a encender y apagar ‘interruptores’ para ver si puede equilibrarse y sobrevivir. Empieza a producir proteínas relacionadas con el estrés abiótico, que en este caso es la falta de gravedad y la radiación. Al final, se vuelve más resistente al estrés”.
Anticipándose a nuevos estudios en microgravedad con piñón de tempate, Vendrame y sus pares secuenciaron y anotaron posibles marcadores en el genoma de la planta. “El ambiente de microgravedad tiene características únicas que permiten estudiar sus efectos sobre la estructura celular y la fisiología de las plantas”, afirman Vendrame y sus colegas en un artículo publicado en la revista International Journal of Genomics, en 2017. “Las mutaciones inducidas por la microgravedad podrán explotarse en un nuevo abordaje para el cultivo de plantas que combina la biología espacial con la tecnología de cultivo agrícola”, afirmaron los autores.
En su primer experimento en colaboración con la Nasa, Vendrame envió a la estación internacional células de Arabidopsis thaliana, una de las especies vegetales más utilizadas en investigaciones científicas, de lapacho blanco, flamboyán y orquídea. “En el espacio, en un ambiente de microgravedad, notamos que las células se aglutinan y forman una estructura tridimensional, mientras que acá en la Tierra se propagan de una manera más bidimensional”, explica el investigador.
LCTPO-ESALQ-USPCultivo in vitro con espectro de luz azul, realizado en un laboratorio de la USP, con el objetivo de reducir el metabolismo de la plantaLCTPO-ESALQ-USP
Partieron de la idea de que estas células son similares a las células madre humanas, pues tienen toda la información genética necesaria como para generar una planta completa, y no solamente una parte de ella, como la raíz o la parte aérea. “Pretendíamos demostrar con células vegetales, que son más fáciles de manipular, el concepto de que crecen en un formato más tridimensional en el espacio”, relata. De esta forma, se abriría la posibilidad futura de crear órganos humanos para trasplantes mediante el cultivo de algunas células en el espacio.
Otro brasileño que trabaja con plantas ornamentales y participará en las investigaciones sobre agricultura en el espacio es el ingeniero agrónomo Paulo Hercílio Viegas Rodrigues, de la Facultad de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq), de la USP. En 2021, Viegas Rodrigues coordinó un equipo en un desafío internacional planteado por la Nasa y la Agencia Espacial Canadiense cuyo objetivo era producir, en 2 metros cúbicos, alimentos frescos para un hipotético viaje a Marte.
El grupo utilizó datos recabados en tres líneas previas de investigación que siguen en desarrollo: una sobre el espectro de luz azul en cultivos in vitro, que reduce el metabolismo de algunas plantas y tiene propiedades antioxidantes; otra sobre la producción de fresas en jardines verticales internos, y la tercera sobre D- limoneno, un disolvente biodegradable con características fungicidas e insecticidas y que, al mismo tiempo, aumenta el contenido de carotenoides de las plantas.
El proyecto del equipo, que utilizó fresa y quequisque, fue seleccionado entre los 10 mejores del concurso. “Se patentará el banco compacto de germoplasma, un aparato que creamos para probar diferentes espectros de luz en el quequisque”, explica Viegas Rodrigues. “Lo interesante es que no será necesario llevar las plantas al espacio para realizar las pruebas. Estamos construyendo nuestro propio clinostato 3D, que produce el efecto de la microgravedad, lo que permite realizar ensayos aquí mismo”.
La búsqueda de recursos
Por ahora no existe ningún fondo específico de la AEB dirigido al proyecto de la red brasileña. Según el matemático Rodrigo Leonardi, director de Gestión de Cartera del organismo, después de que se establece el protocolo de intenciones, deben realizarse negociaciones con Embrapa para plasmar un acuerdo de cooperación técnica a fin de que se pueda realizar un desembolso que apoye el inicio de los trabajos. “Podemos garantizar inversiones mínimas con recursos propios de la AEB, pero esto no será suficiente”, afirma. Asimismo, Leonardi informa que la agencia desea invertir 20 millones de reales durante los próximos cuatro años en el proyecto de agricultura espacial.
Los investigadores que forman parte de la red dedicada a la agricultura espacial afirman que, una vez firmado el acuerdo de cooperación con la AEB y detalladas las etapas de ejecución del proyecto y la guía de acción, los socios tienen la intención de solicitar apoyo a agencias científicas de fomento, empresas e incluso sectores de los poderes Ejecutivo y Legislativo. Para el segundo semestre, planean realizar una conferencia sobre agricultura espacial, en un lugar aún por definirse. Será la primera en Brasil.
Artículos científicos
REISSIG, G. N. et al. Fruit herbivory alters plant electrome: Evidence for fruit-shoot long-distance electrical signaling in tomato plants. Frontiers in Sustainable Food Systems. 20 jul. 2021.
TIAN, W. et al. Enriching Genomic resources and marker development from transcript sequences of Jatropha curcas for microgravity studies. International Journal of Genomics. 5 ene. 2017.
