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欧亿注册,微生物可能是火星任务的关键

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想象一下,一群富有冒险精神的同伴出发去探索一片贫瘠的荒野。他们必须只带自己生存所需要的最重要的东西。他们决定带走的每一盎司体重都意味着他们必须带走另一盎司。这听起来像是一次极端的背包旅行,但实际上我说的是未来的火星表面任务。
 
我们想当然地认为地球上所有支持人类生命的东西——空气供呼吸,水供饮用,土壤中的营养物质使我们能够种植食物。然而,在火星上,宇航员将需要携带他们自己的生命维持系统,这可能是非常昂贵的运输。如果没有一种轻便灵活的技术,可以利用有限的资源制造各种产品,第一批火星探险者将无法生存。
 
通常,微生物被认为是对太空任务的威胁,因为它们会导致疾病。但事实上,非致病微生物可能是登陆火星的解决方案的一部分。微生物可以将多种原料转化为大量的必需产品。利用工程学原理,合成生物学可以将微生物转化为微小的可编程工厂。
 
2012年进入克莱姆森大学化学与生物分子工程系后,我开始研究酵母作为一种制造化学物质的方式。我的研究小组使用的是一种名为Yarrowia lipolytica的酵母,这种酵母能有效地从各种低价值的废物流中制造出三羧酸酯形式的脂肪酸。利用基因工程技术,可以添加来自其他生物体的基因,以生产脂肪酸的衍生物,如生物燃料、粘合剂和营养食品的前体。
 
我和我的学生开始思考哪里有大量的垃圾;它们的储存构成重大问题;而从酵母菌中提取的产品将会供不应求。毫无疑问,人类的排泄物既是有问题的,也是不可避免的:在一次典型的任务中,半数以上的排泄物都是由它产生的。这包括,最明显的,尿液和粪便。但它也包括宇航员呼吸、排汗和卫生产生的二氧化碳和水;食物垃圾,包装垃圾,甚至死皮细胞。这听起来很恶心,但是我们想知道我们是否能设计出Yarrowia lipolytica来从这些材料中制造出任务关键的脂肪酸衍生产品?
 
我们利用合成生物学将藻类和植物的基因“剪切粘贴”到酵母中。这使得他们能够制造像二十碳五烯酸(EPA)这样的omega-3脂肪酸,这是鱼油的一种生物活性成分,已被证明可以防止宇航员骨质疏松。在一个单独的菌株中,我们插入了一种细菌的基因,这种基因可以将脂肪酸转化成聚酯,这种聚酯被称为多羟基烷酸酯(PHAs)。通过设计脂肪酸代谢途径,我们可以调整单个PHA单元的性能,从而使塑料具有与其应用相匹配的性能。这对于火星任务来说可能很重要,因为它可以制造3d打印部件或工具所需的聚合物,而这些部件或工具会断裂或丢失。
 
微生物需要进食,我们的下一个挑战是如何喂养它们。作为碳的来源,我们选择了二氧化碳,由宇航员以每天超过一公斤的速度产生。火星上也有大量的二氧化碳,占大气的97%以上。由于我们的酵母不直接消耗二氧化碳,我们使用一种快速生长的蓝藻细菌,将二氧化碳转化为糖和酵母的细胞生物量。
 
酵母生长所需的另一个主要元素是氮,它以尿素的形式存在于人类尿液中。在最近的《应用微生物学和生物技术》杂志上,我们报道了脂质体Yarrowia对尿素的有效利用。这并不奇怪:这种酵母的基因与寄生在人类尿道并以尿素为食的微生物的基因相似。
 
虽然微生物不是唯一的解决方案,但它们应该继续为未来的火星任务而开发。随着我们在设计微生物生产特定产品方面做得越来越好,满足火星拓荒者的需求可能会变得像在地球上背包旅行一样容易,但我们还有很长的路要走。


 

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