Проектированные дрожди смогли повернуть отход в еду, пластмассы и другие предметы первой необходимости
Представьте себе группу авантюрных компаньонов, отправляющихся в великую границу, чтобы исследовать бесплодную, дикую землю. Они должны принести только самые важные вещи, которые им понадобятся, чтобы выжить самостоятельно. Каждая унция веса, которую они решили взять с собой, означает еще одну унцию, которую они должны транспортировать. Это звучит как экстремальный поход, но я на самом деле говорю о будущей миссии на поверхность Марса.
Мы считаем само собой разумеющимся все, что у нас есть на Земле, что поддерживает человеческую жизнь - воздух для дыхания, вода для питья и питательные вещества в почве, которые позволяют нам выращивать пищу. Однако на Марсе астронавты должны будут принести свои собственные системы жизнеобеспечения, которые могут быть чрезмерно дорогостоящими для перевозки. Без легкой гибкой технологии, которая может производить разнообразные продукты с использованием ограниченных ресурсов, первые исследователи Марса не выживут в своем путешествии.
Как правило, микробы считаются угрозой для космических миссий, потому что они могут вызывать болезни. Но непатогенные микробы на самом деле могут быть частью решения для того, чтобы добраться до Марса. Микробы могут превращать большое разнообразие сырья в большое количество необходимых продуктов. Используя инженерные принципы, синтетическая биология может быть использована для превращения микробов в крошечные программируемые фабрики.
Я начал изучать дрожжи как способ получения химикатов, когда в 2012 году поступил на факультет химической и биомолекулярной инженерии в Университете Клемсона. Моя исследовательская группа работает с типом дрожжей, называемым Yarrowia lipolytica, который эффективно превращает жирные кислоты в форму тригилцеридов из большое разнообразие потоков малоценных отходов. Используя генную инженерию, можно добавлять гены из других организмов, чтобы обеспечить производство производных жирных кислот, таких как биотопливо, прекурсоры для клеев и нутрицевтики.
Мои ученики и я начали думать о том, где отходы были в изобилии; где их хранение представляло значительную проблему; и где продукты из дрожжей будут в дефиците. Неудивительно, что человеческие отходы не только проблематичны, но и неизбежны: они образуют более половины отходов при обычной миссии. Это включает, наиболее очевидно, мочу и кал. Но это также включает углекислый газ и воду от дыхания команды, пота и гигиены; пищевые отходы, упаковочные отходы и даже мертвые клетки кожи. Это звучит довольно грубо, но мы задались вопросом, сможем ли мы разработать Yarrowia lipolytica для производства критически важных продуктов из жирных кислот из этих материалов?
Мы использовали синтетическую биологию для «вырезания и вставки» генов из водорослей и растений в наши дрожжи. Это позволило им производить омега-3 жирные кислоты, такие как эйкозапентаеновая кислота (EPA), биологически активный компонент рыбьего жира, который, как было показано, предотвращает потерю плотности костной ткани у астронавтов. В отдельный штамм мы включили ген бактерий, которые превращают жирные кислоты в сложные полиэфиры, называемые полигидроксиалконатами (PHA). Разработав путь метаболизма жирных кислот, мы можем настроить свойства отдельных единиц PHA, чтобы мы могли делать пластмассы со свойствами, соответствующими их применению. Это может быть важно для миссии на Марсе как способа изготовления полимеров, необходимых для деталей или инструментов для трехмерной печати, которые ломаются или теряются.
Микробы нужно есть, и нашей следующей задачей было, как их кормить. В качестве источника углерода мы выбрали углекислый газ, производимый членами экипажа со скоростью более одного килограмма в день. Углекислый газ также в изобилии доступен на Марсе, составляя более 97 процентов атмосферы. Поскольку наши дрожжи напрямую не потребляют углекислый газ, мы используем быстрорастущие цианобактерии, которые превращают углекислый газ в сахара и клеточную биомассу для наших дрожжей.
Другим важным элементом, необходимым для выращивания дрожжей, является азот, который доступен в виде мочевины в моче человека. В недавней публикации в Прикладной микробиологии и биотехнологии мы сообщили об эффективном использовании мочевины Yarrowia lipolytica. Это неудивительно: у этих дрожжей есть гены, похожие на гены микробов, которые колонизируют мочевыводящие пути человека и едят мочевину.
Хотя микробы не являются единственным решением, их следует продолжать разрабатывать для будущей миссии на Марс. По мере того, как мы совершенствуемся в разработке микробов для изготовления конкретных продуктов, удовлетворение потребностей пионеров, связанных с Марсом, может стать таким же простым, как и рюкзаком здесь, на Земле, но нам еще предстоит пройти много миль.