Syntetisk biologi til at hjælpe med at kolonisere Mars

Shannon Nangle færdiggjorde sin ph.d. klar til at tage en ny udfordring og satte fokus på forskning for at gøre Mars kolonisering mulig. Men hun forfølger ikke forskning i raketbrændstoffer eller rumdragter. Hun bruger syntetisk biologi til at forbedre bioproduktionen af ​​nødvendige ressourcer ved hjælp af simple input som sollys, vand, og CO2.

I 2015, et samarbejde mellem Pam Silver og Daniel Noceras laboratorium viste, at bakterien Ralstonia eutropha kunne bruges sammen med vandspaltning til at skabe biomasse og fuselalkoholer. Så i 2016 fulgte de op med 'bionisk blad 2.0', der brugte en mere biokompatibel katalysator til at slå effektiviteten af ​​naturlig fotosyntese. Nu, teknologien skal udvides og skaleres for at kunne tage de mange potentielle anvendelser af en effektiv sol- til bioproduktteknologi.

Konstruerede bakterier til at lave bioplast

For at finde ud af om det seneste arbejde med at flytte det bioniske blad ud af laboratoriet og måske en dag til Mars, Jeg mødtes med Shannon og kandidatstuderende Marika Ziesack, begge medlemmer af Pam Silver's lab, i deres laboratorium på Harvard Medical School. Jeg så bordopstillingen til testning af Ralstonia eutropha med de biokompatible katalysatorer. En strømkilde forbinder de små elektroder, der sidder i rummet med bakterierne. Når elektriciteten tilføres, deler den vand - som som H2O har to brintstoffer og et iltatom - i brint og ilt. Bakterien, Ralstonia eutropha i dette tilfælde, kan derefter bruge det hydrogen sammen med kuldioxid til at producere biomasse som bioplast-forstadiepolymeren polyhydroxybutyrat (PHB).

Ralstonia eutropha kan også konstrueres til at overproducere visse fedtsyrer og enzymer, der giver mulighed for flere biopolymerer end bare PHB. Det er en af ​​de forbedringer, Shannon og Marika arbejder på, så biopolymerer med forskellige strukturelle egenskaber kan produceres og bruges som bionedbrydelige materialer her på jorden eller som vedvarende byggesten på Mars.

Andre tekniske forbedringer kan foretages, så bakterierne kan tolerere belastninger som høje saltkoncentrationer, der kan forbedre opløsningens ledningsevne. De nævnte endda muligheden for en bakterie, der kan vokse i en blanding, der indeholder urinaffald for at muliggøre mere bæredygtig genbrug af vand. Bakterier, der dyrkes i et laboratorium eller produktionsanlæg, har normalt brug for et råstof af biomasse, der kan ende med at blive de store omkostninger ved bioplastproduktionen. Med sollys, vand, og luft som input er det muligt at omgå de dyre råvarer, der normalt ville blive brugt til at lave disse bioplaster.

Flytter ud af laboratoriet (og måske en dag til Mars)

For virkelig at tackle applikationer som rumforskning, syntetisk biologi bliver nødt til at bevise sig på området. Andre har bemærket, at syntetisk biologi kan være afgørende for en Mars -mission, men først skal den stå af fra en laboratoriebænk. Derfor arbejder teamet på Harvard på mere bærbare versioner af det bioniske blad for forhåbentlig at vise, at det kunne fungere uden for laboratoriet ved hjælp af kun ressourcer, der let findes på Jorden eller på Mars:solenergi, vand, og kuldioxid.

Blandt de mange udfordringer ved Mars -kolonisering ville være behovet for at bruge ressourcer, der findes på Mars i stedet for at bringe alt fra Jorden. Denne brug af ressourcer, der findes i rummet, kaldes normalt ressourceudnyttelse in situ, og det ville være nødvendigt for langsigtede rummissioner eller kolonisering. Der er et andet sæt ressourcer ude i rummet end på Jorden, men i de sidste par år har NASA vist, at der findes vand på Mars med frosne aflejringer, der når mængden af ​​vand i Lake Superior. Så hvis solenergi kan bruges til at splitte det vand, ville der blive produceret brint, og du ville bare have brug for CO2 til at producere bioplast. Heldigvis, selvom Mars 'atmosfære er 100 gange mindre tæt end på Jorden, 96% af det består af CO2. Så hvis en teknologi som syntetisk biologi pålideligt kan omdanne vand og CO2 til nyttige materialer, ville det være ideelt til forhold på Mars.

Så når bakterier, der er konstrueret, kan konvertere in situ -ressourcerne til noget nyttigt som bioplast, yderligere behandling kan udføres for at lave nødvendige værktøjer. Med bioplast, der kan betyde 3D -print af produkter, der er fremstillet på en vedvarende måde med bionedbrydelige materialer. Så selvom denne teknologi aldrig kommer til Mars, kan den finde måder at erstatte nogle af de hårde kemiske processer, vi i øjeblikket bruger med biologiske processer.

Biologi har allerede fundet en måde at udføre mange kemiske processer ekstremt effektivt uden høj varme eller hårde kemikalier, der ofte bruges i industrielle processer. Når forskere lærer at udnytte de forskellige biologiske veje, der allerede findes, vil der være flere muligheder for at konstruere celler, der kan erstatte kemiske reaktorer. Mere sofistikerede modeller kan endda føre til forudsigelser om præcis, hvilken vej der skal bruges til at opfylde dine endelige produktbehov. Muligheden for at udnytte så mange muligheder, som biologien giver, er det, der ophidser så mange over syntetisk biologi som en teknologi.

Men for nu, det bioniske blad og andre lovende værktøjer til syntetisk biologi bliver nødt til at bevise, hvordan de kan skalere og fungere under hårde forhold uden for laboratoriet. Når de gør det, syntetiske biologiforskere som Shannon vil bevæge os mod de store mål som at muliggøre kolonisering af Mars.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra PLOS Blogs:blogs.plos.org.