Научная аппаратура СИГМА (разработчик ФГБУН Институт проблем управления сложными системами РАН) предназначена для обеспечения проведения биологических и микробиологических исследований с колониями микроорганизмов, культурами клеток человека, животных и растений, а также семенами лекарственных растений.

Научная аппаратура СИГМА включает сборку из четырёх унифицированных модулей, в которых размещаются укладки миниконтейнеров с исследуемыми образцами биоматериалов, а также датчики температуры, система управления измерениями и регистрации данных.

В состав научной аппаратуры СИГМА входят три блока СИГМА-01, СИГМА-02, СИГМА-03, в которых установлены средства для проведения экспериментов (постановщик эксперимента – Самарский государственный медицинский университет), регистрирующая аппаратура (разработчик – ИПУСС РАН), автономные источники электропитания.

В каждый блок НА СИГМА входит три модуля, а именно:

• В состав блоков СИГМА-01 и СИГМА-02 входит по два модуля, предназначенных для размещения исследуемых биообъектов (клеточных культур в ростовой среде) в универсальных контейнерах с автономными подсистемами измерения и регистрации параметров биообъектов, и по одному служебному модулю, в которых размещаются автономные источники питания (батареи), элементы системы терморегулирования и блоки системы регистрации и хранения данных;
• В состав блока СИГМА-03 входит три автономных модуля, которые предназначены для размещения контейнеров с исследуемыми биообъектами (семена и плоды лекарственных и редких растений; герметичные биоконтейнеры с микроорганизмами). Один из модулей блока СИГМА-03  является гипомагнитным модулем.

Соответственно, блоки СИГМА-01 и СИГМА-02 предназначены для проведения космического эксперимента  «Клетка» по исследованию морфофункционального состояния клеточных культур, а модули блока СИГМА-03 – для проведения КЭ «Флора-М», «Флора-БС», «Эндфлора» и «Почва», целью которых являются исследования стимулирующего эффекта факторов космического полета на семена и плоды высших растений и на образцы почвы.

Научная аппаратура  СИГМА имеет в своем составе автономный источник питания,  не использует телеметрические каналы КА «Фотон-М» № 4, а для регистрации параметров работы используется собственная энергонезависимая память.

Космический эксперимент «Клетка» направлен на исследование влияния условий космического полета на клетки тканей опорно-двигательной системы человека и животных (их морфофункциональное состояние, пролиферативную активность и дифференцировочный потенциал культур клеток – фибробластов и хондробластов). Постановщик этого космического эксперимента – Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины и биотехнологий Самарского государственного медицинского университета Министерства здравоохранеиия России. Цель запланированных исследований состоит в том, чтобы выяснить влияние условий космического полета на генетический материал и возможности восстановления клеточных культур, что может найти применение в лечебных целях.

В качестве исследуемых биообъектов для проведения данного КЭ выбраны следующие виды культур клеток человека, кролика и крысы: а) фибробласты; б) хондробласты. Одной из трудно решаемых задач на борту автоматического КА является обеспечение смены культуральной среды в течение космического полета, если его продолжительность более 30 суток. В данном КЭ требуется обеспечить проведение исследований (в динамике) без смены культуральной среды. Результаты исследований позволят оценить морфофункциональные показатели культур клеток непосредственно во время космического полета, а также изучить их пролиферативный и дифференцировочный потенциал в послеполетном периоде.

В космическом эксперименте «Флора-М» будет изучено воздействия условий микрогравитации и других факторов космического полета на высшие растения, используемые в медицинской практике (на примере плодов расторопши пятнистой и семян мелиссы лекарственной). Постановщик эксперимента - кафедра фармакогнозии с ботаникой и основами фитотерапии Самарского государственного медицинского университета Министерства здравоохранения России. Задачами этого космического эксперимента является определение влияния условий космического полета на химический состав, физиологическое состояние, параметры всхожести и дальнейшего развития высших растений от стадии плодов и семян (на примере лекарственных растений - расторопши пятнистой и мелиссы лекарственной). В ходе эксперимента будет также проведена сравнительная оценка вклада в это влияние магнитного поля Земли (путём размещения образцов в гипомагнитном модуле). После полёта предполагается провести анализ всхожести семян/плодов изучаемых образцов и дальнейшего развития сформировавшихся растений на разных стадиях вегетации в нескольких поколениях. Ожидаемые результаты представляют интерес для фундаментальных биологических дисциплин и имеют прикладное значение для отечественной медицины, фармации и растительной биотехнологии.

В космическом эксперименте «Флора-БС» будет выполнена оценка влияния факторов космического полета на семена видов и сортов травянистых растений (будет решаться задача определения жизнеспособности семян, оценка влияния космоса на начальные этапы онтогенетического развития десяти видов дикорастущих травянистых растений, а также регистрация вызванного этим влиянием возможного генотоксического эффекта на семена сортов лука репчатого). Постановщиками эксперимента являются сотрудники кафедры экологии, ботаники и охраны природы Самарского государственного университета Министерства образования и науки РФ, а также Ботанического сада того же университета. Значимость вопроса обусловлена также накоплением экспериментальных данных о справедливости гипотезы панспермии в части переноса семян земных растений или возможного их длительного хранения в условиях космического полёта без существенных изменений их свойств (орбитальные «семенные банки»). 

Подготовленные образцы семян дикорастущих видов растений и сортов лука репчатого будут распределены на три идентичные партии, которые в НА СИГМА будут размещены следующим образом:

• первая партия – в обычный экспериментальный модуль;
• вторая партия – в гипомагнитный модуль;
• третья партия – в обычный модуль, но с дополнительной экранирующей от остаточной радиации упаковкой.

После экспонирования в течение полёта КА семена, возвращенные на Землю, будут использованы для последующего завершения экспериментов.

Семена сортов лука репчатого по процедуре Allium-теста в стандартных лабораторных условиях будут пророщены, и растения будут сопоставлены с «контролем» – идентичными образцами семян, не экспонировавшимися на КА.

Семена дикорастущих видов будут высеяны на специально отведенных делянках в экспериментальном питомнике отдела флоры Ботанического сада Самарского государственного университета. Будет использован «контроль» – идентичные образцы семян, не экспонировавшиеся на КА. Будут изучены показатели полевой всхожести, динамика роста и особенности морфогенеза растений на начальной и последующих стадиях онтогенетического развития.

Космический эксперимент «Эндофлора» посвящён изучению эффектов воздействия факторов космического полета на биопрофили энтеробактерий и стафилококков – типичных представителей эндогенной микрофлоры человека. Постановщик космического эксперимента - кафедра общей и клинической микробиологии, иммунологии и аллергологии Самарского государственного медицинского университета Министерства здравоохранения России. Особое значение этому КЭ придаёт его направленность на оценку воздействия факторов космического полёта на комплекс биологических свойств (биопрофиль) потенциально патогенных бактерий, являющихся представителями эндогенной микрофлоры (эндофлора) человека, поскольку именно эти микроорганизмы выступают возбудителями ряда широко известных эндогенных инфекционно-воспалительных заболеваний – таких, как: инфекции мочевой системы (цистит, пиелонефрит), воспалительные заболевания желчевыводящих путей (холецистит, холангит), репродуктивного тракта (простатит, сальпингоофорит) и органов дыхания (бронхит, пневмония, тонзиллит), которые могут развиться у участников космического полета как во время, так и после его завершения. К приоритетным возбудителям указанных эндогенных бактериальных инфекций (ЭБИ) относятся энтеробактерии (в том числе Escherichia coli, клебсиеллы и др.) и стафилококки (в частности Staphylococcus aureus и коагулазоотрицательные стафилококки – КОС). Наиболее патогенетически значимыми биологическими свойствами бактерий, определяющими возможность развития ЭБИ, следует считать такие характеристики микроорганизмов, которые обеспечивают их выживание при контакте с эффекторами иммунитета организма человека, а именно: устойчивость к комплемент-опосредованному бактерицидному действию сыворотки крови (серорезистентность), устойчивость к катионным антимикробным белкам (КАМП) лейкоцитов и тромбоцитов (резистентность к лейко- и тромбодефенсинам), способность инактивировать лизоцим (антилизоцимная активность). Не менее значимыми являются свойства, связанные с вирулентностью бактерий (например, гемолитическая активность, как маркер цитотоксичности) и их способностью к длительной колонизации (в частности биопленкообразование). В терапевтическом отношении заслуживает внимания антибиотикорезистентность и фаголизабельность бактерий.

Учитывая, что указанные свойства имеют хромосомную и/или плазмидную генетическую детерминацию, нельзя исключить возможность влияния факторов космического полёта на биологические характеристики бактерий с разнонаправленной их регуляцией.

Планируется проведение следующих исследований:

• ГА – гемолитическая активность как фактор вирулентности бактерий, определяющий их цитотоксичность;
• СР – серорезистентность (только у энтеробактерий) - устойчивость к бактерицидной активности сыворотки крови, которая связана с действием системы комплемента на бактерии;
• резистентность к лейко- и тромбодефенсинам, определяющая способность к выживанию в клетках (фагоцитах – макрофагах и нейтрофилах) при развитии воспаления и в очаге воспаления; 
• АЛА – антилизоцимная активность как базовый фактор персистенции бактерий, связанный с инактивацией лизоцима одного из факторов неспеци-фической резистентности организма;
• БПО – биопленкообразование как способность бактерий формировать микроколонии на плотных поверхностях, т.е. колонизировать ткань, сначала адгезируясь на ней, а затем размножаясь.

Также планируется выполнение оценки влияния экстремальных факторов космического полета на чувствительность микроорганизмов к различным химическим и биологическим факторам:

• антибиотикорезистентность;
• фаголизабельность культур.

Кроме того, планируется проведение сравнительного анализа функциональных и биологических свойств микроорганизмов после воздействия факторов космического полета и в группе «контроля».

Для проведения эксперимента планируется использовать следующий состав тест-культур микроорганизмов:

• бактерии, являющиеся нормальными обитателями естественной микрофлоры слизистой кишечника человека – Escherichia Coli;
• представителей рода Staphylococcus: St.aureus, St. epidermidis, St.hemolyticus;
• представителей семейства Enterobacteriaceae: Salmonella, Shigella, Klebsiella;
• грибы рода Candida.

Исследуемые культуры будут располагаться в модулях научной аппаратуры    СИГМА внутри спускаемого аппарата КА «Фотон-М» №4 в герметично закрытых пробирках Эппиндорф с плотной питательной средой (агар). Для проведения КЭ требуется поддержание температурного режима, а именно: 28ºС и 37ºС.

После исследований производится высев на питательные среды и после первого пассажа производятся исследования биологических свойств.

Ожидается, что будут получены новые данные о воздействии факторов космического полета на биопрофили типичных представителей эндогенной микрофлоры человека, объясняющих их роль в возникновении эндогенных бактериальных инфекций у участников космического полета в течение полета или после его завершения.

Космический эксперимент «Почва» будет решать задачи исследования влияния условий космического полета и гипомагнитного фактора на биохимические и микробио-логические показатели почвенного плодородия. Постановщик космического эксперимента - кафедра биологической химии Самарского государственного университета Минобрнауки РФ. Задачи, решаемые в ходе эксперимента:

• Выявить влияния условий космического полета и гипомагнитного фактора на изменения количественных и популяционных характеристик микроорганизмов почвы.
• Изучить изменение ферментативной активности почвы в условиях космического полета и гипомагнитного фактора.
• Проанализировать зависимость количественных характеристик микроорганизмов почвы в условиях космического полета и гипомагнитного фактора.
• Выявить биологическую реакцию почвы в условиях космического полета и гипомагнитного фактора.
• Выявить возможность использования микроорганизмов почвы в качестве биоиндикаторов в условиях космического полета и гипомагнитного фактора.
• Выявить влияния условий космического полета и гипомагнитного фактора на изменения количественных и морфологических показателей штамма почвенной бактерии Pseudomonas.

В связи с постановкой задачи освоения дальнего космоса  проблема изучения влияния условий космического полета и гипомагнитного фактора на биохимические и микробиологические показатели почвенного плодородия в условиях искусственной биосферы является актуальной.