Shannon Nangle avslutade sin doktorsexamen redo att ta sig an en ny utmaning och inriktade sig på forskning för att möjliggöra kolonisering av Mars. Men hon forskar inte om raketbränslen eller rymddräkter. Hon använder syntetisk biologi för att förbättra biotillverkningen av nödvändiga resurser med hjälp av enkla ingångar som solljus, vatten, och CO2.

År 2015, ett samarbete mellan Pam Silver och Daniel Noceras laboratorium visade att bakterien Ralstonia eutropha skulle kunna användas tillsammans med vattenspridning för att skapa biomassa och flygelalkoholer. Sedan 2016 följde de upp med 'bionic leaf 2.0' som använde en mer biokompatibel katalysator för att slå effektiviteten hos naturlig fotosyntes. Nu, Tekniken måste utvidgas och skalas upp för att ta sig an de många potentiella tillämpningarna av en effektiv solenergi- till bioproduktteknologi.

Konstruerade bakterier för att tillverka bioplaster

För att få reda på det senaste arbetet för att hjälpa till att flytta det bioniska bladet ut ur labbet och kanske en dag till Mars, Jag träffade Shannon och doktoranden Marika Ziesack, båda medlemmarna i Pam Silvers labb, i deras laboratorium på Harvard Medical School. Jag såg bänkskivan för att testa Ralstonia eutropha med de biokompatibla katalysatorerna. En strömkälla ansluter till de små elektroderna som sitter i facket med bakterierna. När elen appliceras delar den vatten - som som H2O har två väten och en syreatom - i väte och syre. Bakterien, Ralstonia eutropha i detta fall, kan sedan använda det vätet tillsammans med koldioxid för att producera biomassa som bioplastprekursorpolymeren polyhydroxibutyrat (PHB).

Ralstonia eutropha kan också konstrueras för att överproducera vissa fettsyror och enzymer som möjliggör fler biopolymerer än bara PHB. Det är en av förbättringarna som Shannon och Marika arbetar med så att biopolymerer med olika strukturella egenskaper kan produceras och användas som biologiskt nedbrytbara material här på jorden eller som förnybara byggstenar på Mars.

Andra tekniska förbättringar kan göras så att bakterierna kan tolerera påfrestningar som höga saltkoncentrationer som kan förbättra konduktiviteten hos lösningen. De nämnde till och med möjligheten för en bakterie som kan växa i en blandning som innehåller urinavfall för att möjliggöra mer hållbar vattenåtervinning. Bakterier som odlas i ett labb eller produktionsanläggning behöver vanligtvis ett råmaterial av biomassa som kan bli den stora kostnaden i bioplastproduktionen. Med solljus, vatten, och luft som input är det möjligt att kringgå de dyra råvarorna som normalt skulle användas för att skapa dessa bioplaster.

Flyttar ut från labbet (och kanske en dag till Mars)

För att verkligen hantera applikationer som rymdutforskning, syntetisk biologi kommer att behöva bevisa sig i fält. Andra har noterat att syntetisk biologi kan vara avgörande för ett Mars -uppdrag, men först måste det gå av från en laboratoriebänk. Det är därför som teamet vid Harvard arbetar med mer bärbara versioner av det bioniska bladet för att förhoppningsvis visa att det kan fungera utanför laboratoriet med endast resurser som lätt finns på jorden eller på Mars:solenergi, vatten, och koldioxid.

Bland de många utmaningarna med Mars kolonisering skulle vara behovet av att använda resurser som finns på Mars istället för att ta med allt från jorden. Denna användning av resurser som finns i rymden brukar kallas in situ resursanvändning, och det skulle vara nödvändigt för långsiktiga rymduppdrag eller kolonisering. Det finns en annan uppsättning resurser ute i rymden än på jorden, men under de senaste åren har NASA visat att det finns vatten på Mars med frusna avlagringar som når upp till mängden vatten i Lake Superior. Om sedan solenergi kan användas för att dela det vattnet skulle väte produceras och du skulle bara behöva CO2 för att producera bioplast. Lyckligtvis, även om Mars atmosfär är 100 gånger mindre tät än på jorden, 96% av den består av CO2. Så om en teknik som syntetisk biologi på ett tillförlitligt sätt kan förvandla vatten och CO2 till användbara material skulle vara perfekt för förhållanden på Mars.

Då kan en gång konstruerade bakterier omvandla resurser på plats till något användbart som bioplast, ytterligare bearbetning kan göras för att göra nödvändiga verktyg. Med bioplast som kan innebära 3D -utskrift av produkter som är tillverkade på ett förnybart sätt med biologiskt nedbrytbara material. Så även om den här tekniken aldrig når Mars kan den hitta sätt att ersätta några av de hårda kemiska processer vi använder för närvarande med biologiska processer.

Biologi har redan hittat ett sätt att göra många kemiska processer extremt effektivt utan hög värme eller hårda kemikalier som ofta används i industriella processer. När forskare lär sig att utnyttja de olika biologiska vägar som redan finns kommer det att finnas fler möjligheter att konstruera celler som kan ersätta kemiska reaktorer. Mer sofistikerade modeller kan till och med leda till förutsägelser om exakt vilken väg som ska användas för att möta dina slutproduktbehov. Möjligheten att dra nytta av så många möjligheter som biologin ger är det som upphetsar så många över syntetisk biologi som teknik.

Men för nu, det bioniska bladet och andra lovande verktyg för syntetisk biologi måste bevisa hur de kan skala och prestera under tuffa förhållanden utanför labbet. När de gör det, syntetiska biologiforskare som Shannon kommer att driva oss mot de stora målen som att möjliggöra kolonisering av Mars.

Denna berättelse publiceras igen med tillstånd av PLOS Blogs:blogs.plos.org.