توسعه ی بیکنش های خود تکثیر کننده نشان دهنده ی پیشرفت قابل توجهی در اکتشافات فضایی و عملیات از راه دور است، این سیستم های نوآورانه هدف حفظ زندگی انسان و حمایت از ماموریت های بلند مدت با تولید منابع ضروری مانند غذا، اکسیژن و آب به صورت خودکار، بدون نیاز به عرضه ی دائمی از زمین، به عنوان بشریت به سیستم خورشیدی فشار می آورد و به دنبال ایجاد دائمی در محیط های تولید، توانایی های خودکندگی، به سیستم های بیولوژیکی تبدیل می شود.

چه کارهایی برای خود تکرار می کنند؟

خود تکرار کننده های زیستی سیستم های بیولوژیکی هستند که برای رشد و بازتولید اجزای خود با استفاده از منابع موجود طراحی شده اند.بر خلاف زیست بوم شناسان سنتی که نیاز به ورودی خارجی برای نگهداری و گسترش دارند، این سیستم ها می توانند به طور خودکار ظرفیت خود را افزایش دهند و آنها را برای محیط هایی که عرضه مجدد غیر ممکن است یا به طور غیر قابل ممنوع است، این ارگانیسم های زنده - مانند باکتری های مهندسی شده، جلبک های گیاهی، و یا ترکیبات بیشتر - تولید می کنند.

این مفهوم الهام بخش استراتژی های تولید مثل طبیعت است.برای مثال، میکروارگانیسم هایی که سلولز را تولید می کنند می توانند اجزای ساختاری بسازند؛ ارگانیسم های فتوسنتز می توانند انرژی و اکسیژن تولید کنند، با ترکیب چندین سویه مهندسی شده و مواد، محققان یک راکتور را تصور می کنند که می تواند اتاق های جدید، وان، سنسورها و سیستم های تحویل مواد مغذی را از خوراک حاوی مواد در محیط اطراف جمع آوری کند - چه زیستگاه یخ مریخ، یا زباله های زباله ای از جریان های ماه.

تفاوت های کلیدی از پیمانکاران

زیست بوم شناسان استاندارد (به عنوان مثال، تانک یا عکساب) کشتی های ثابت هستند که نیاز به تمیز کردن دوره ای، بازسازی مجدد و جایگزینی قطعات فرسوده دارند.آنها نمی توانند حجم یا عملکرد خود را بدون دخالت انسان افزایش دهند.

  • مقیاس بزرگ: [FLT 1] آنها می توانند بزرگتر یا به واحد های جدید بدون مونتاژ خارجی رشد کنند.
  • خود-Healing: [FLT 1] با استفاده از مکانیزم های تعمیر بیولوژیکی، آسیب جزئی می تواند مهر و موم شده یا بازسازی شود.
  • استفاده از منابع: آنها به طور فعال مواد مغذی و مواد معدنی را از منابع محلی، کاهش وابستگی به رسانه های زمین-فرض شده است.
  • سازگاری تکامل یافته: در طول مدت طولانی، اجزای بیولوژیکی می توانند با شرایط در حال تغییر از طریق انتخاب مستقیم یا طبیعی سازگار شوند.

برنامه های کاربردی در ماموریت های فضایی

در ماموریت های فضایی، به ویژه سفرهای طولانی مدت به مریخ یا فراتر از آن، خودآکنان می توانند منبع پایدار منابع حیاتی را ارائه دهند.

  • غذا: پرورش گیاهان خوراکی و میکروارگانیسم ها - از جمله سیانووباکتریا، اسپیرولینا و مخمر - که پروتئین، کربوهیدرات ها و چربی ها را تولید می کند.
  • تولید هوای نفس پذیر از طریق فتوسنتز (از جلبک ها یا گیاهان مهندسی شده) یا فرآیندهای میکروبی مانند الکترون های عکس اکسیژنیک.
  • آب: بازیافت و تولید آب از فرآیندهای بیولوژیکی مانند تراکم و تصفیه، و یا با استخراج هیدروژن و اکسیژن از محصولات شیمیایی.
  • مواد آموزشی: تولید بیوپلیم (به عنوان مثال، سلولز، chitin) برای 3D چاپ زیستگاه و ابزار.
  • تهدید دریایی ایجاد دارو و ویتامین در تقاضا، کاهش جرم از منابع پزشکی.

سناریوی خارج از مریخ

یک پایگاه مریخ را با یک محموله اولیه چند کیلوگرم از میکروارگانیسم های منجمد و ذخایر مواد مغذی در نظر بگیرید. محض ورود، فعال کننده خود تکثیر شده، تغذیه مجدد از طریق regolith که پردازش شده است تا آب و آهن را در عرض چند هفته، راکتور به ظرفیت صد لیتری رشد می کند، ارائه سبز تازه، اکسیژن و آب برای یک خدمه کوچک، به طور چشمگیری گسترش می یابد تا یک واحد توده ای از مواد زیستی را به طور قابل استفاده کند.

بنیادهای فنی

مهندسی Microorganisms

هسته بیولوژیکی از خود تکثیر کننده ها بر زیست شناسی مصنوعی متکی است.[۱] دانشمندان قبلا سویه هایی از li و مخمر که سلولز، پروتئین های ابریشم، یا حتی انجام رشته ها را تولید می کنند، برای کاربردهای فضایی، ارگانیسم های مانند اندام مانند (FLT:2Deinococcusdur) رادیو [Ft3:bance] و مقاوم سازی ذرات مقاوم در حال توسعه هستند.

خود-آشویی و خود-Repair

یک چالش مهندسی عمده ایجاد ساختارهای فیزیکی است که می تواند رشد و تعمیر خود را.یک رویکرد استفاده از یک " داربست بیولوژیکی": وان انعطاف پذیر ساخته شده از بیوفیلم برنامه ریزی شده ژنتیکی که مخفی کردن پلی ساوکارید های تقویت شده است. روش دیگر استفاده از میکروکپسول هایی که آنزیم های اتصال را هنگام ایجاد استرس مکانیکی، به چگونگی ترمیم خون برای تکرار، ممکن است یک ماژول "Fprinting" با استفاده از کانال های جدید است.

منابع انرژی

فعال کننده های خود را باید به صورت انرژی خود را حفظ کنند. Options شامل:

  • [FLT 1] همراه با فتوسنتز مصنوعی (تولید هیدروgen از طریق تقسیم آب).
  • ژنراتورهای ترموالکتریک (FLT:1) برای عملیات عمیق فضایی که نور خورشید ضعیف است.
  • سلول های سوخت زیست شناختی که الکترون ها را از متابولیسم میکروبی با استفاده از رابط های الکترود-biofilm برداشت می کنند.

چالش های توسعه

علی رغم پتانسیل آنها، توسعه ی خودآکنان با چالش های مختلفی مواجه است:

  • اطمینان و ایمنی در محیط های شدید.[۱۰] سیستم های بیولوژیکی حساس به نوسانات دما، کاهش فشار و تابش هستند. مکانیسم های ایمنی شکست خورده و مدارهای ژنتیکی اضافی برای جلوگیری از "فرشته شدن زیست محیطی" مورد نیاز است.
  • خطرات آلودگی که می تواند فرآیندهای بیولوژیکی را مختل کند.[۱۰] یک جهش واحد یا میکرودرواکنش می تواند سویه های مهندسی شده را بی کفایت کند. محققان از روش های مرگ و انزوا گونه استفاده می کنند - نمونه ها شامل "Passcode" سوئیچ توسعه یافته در MIT است که نیاز به اسیدهای آمینه مصنوعی برای بقا دارد.
  • سیستم های طراحی که می توانند با تغییر شرایط در ماموریت های طولانی سازگار شوند.[۱۰] در طول سال، حتی بهترین ارگانیسم های مهندسی شده تکامل خواهند یافت، این می تواند برای انعطاف پذیری استفاده شود، اما همچنین محققان در SynBioBeta] در حال بررسی پروتکل های تکامل برای هدایت توابع سازگاری در حالی که در هنگام حفظ ایمنی مورد نظر قرار می گیرند، ریسک می کنند.
  • پر کردن از نمونه های آزمایشگاهی. جریان خود تکثیر بسترهای تست بیولوژیکی کوچک (milliliters to لیتر) مقیاس به حجم زیستگاه (صدها لیتر) معرفی حمل و نقل توده ای و مسائل ثبات ساختاری است که هنوز حل نشده اند.
  • تجدید نظر و ملاحظات اخلاقی. راه اندازی ارگانیسم های زنده به فضا نیازمند نظارت بر حفاظت سیاره ای برای جلوگیری از آلوده کردن محیط های بومی (به عنوان مثال، مریخ) است که این تکنولوژی دوگانه نیز نگرانی هایی در مورد سیستم های خود تکثیر از کنترل را افزایش می دهد - یک سناریوی حاوی زمین برای مبارزه با تروریسم.

تحقیقات اخیر و Milestones

چندین گروه تحقیقاتی پیشرفت قابل توجهی داشته اند:

  • در سال 2022، گروهی از دانشگاه وارویک یک کنسرسیوم مصنوعی از را توسعه داد و coli که یک خود را به عنوان یک ⁇ خود گرد تولید می کند که می تواند برای شکل دادن به شکل خودسرانه این ذرات به عنوان یک راکتور مواد مورد مطالعه قرار گیرد.
  • محققان یک سویه مخمر ایجاد کردند که می تواند بین زیست توده های رو به رشد تغییر کند و آنزیم هایی را تولید کند که دیواره های سلولی را تضعیف می کنند، آزاد کردن مواد مغذی برای مستعمره جدید را امکان پذیر می کنند - یک شکل اولیه از تکثیر.
  • [برنامه ]SynBio4Space [ برنامه ] بودجه ] "Bioreactor Fabrication از مریخ reolith" [ پروژه، که از یک سیانو اصلاح ژنتیکی برای تولید کلسیم در حالی که در حال رشد، بنابراین ساخت یک ساختار جامد در اطراف خود استفاده می کند.
  • آژانس فضایی اروپا (FLT:0) BioMEX آزمایش در ISS در معرض مارمولک ها و سیانووباکتریا به شرایط فضایی؛ آنها زنده ماندند و حتی تکرار کردند، و همچنین انعطاف پذیری مورد نیاز برای زیست شناسان فضایی را تأیید کردند.

بازی با عملیات از راه دور بر روی زمین

همان تکنولوژی دارای پیامدهای عمیقی برای محیط های خشن در سیاره ما است - ایستگاه های مرکزی، پایگاه های دریایی عمیق و مناطق فاجعه.در مناطقی که توسط خاکستر آتشفشانی یا نشت شیمیایی به وجود آمده اند، مواد زیستی خود را تکثیر می کنند، می توانند به عنوان چند گرم سلول های دم خاموش هوا و سپس فعال شوند تا آب تمیز، غذا و مواد ساختمانی را از زباله های محلی تولید کنند، آنها همچنین می توانند به عنوان سوخت های دفع زباله های دور از راه دور، در حالی که در حال تخریب مواد دفع آلاینده های استخراج زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله، در هنگام تخریب زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله های زباله ای هستند، در هنگام تخریب شده اند،

آینده آینده آینده

محققان به طور فعال در حال بررسی راه حل های جدید بیولوژیکی و مهندسی برای غلبه بر محدودیت های فعلی هستند.پیشرفت در زیست شناسی مصنوعی و اتوماسیون انتظار می رود که کارایی و استحکام این زیست فعال کننده ها را افزایش دهد.در آینده، آنها می توانند به طور جدایی ناپذیر به زیستگاه های فضایی پایدار و عملیات از راه دور بر روی زمین، مانند محیط های شدید یا مناطق فاجعه تبدیل شوند.

نقاط عطف نزدیک به دوره شامل:

  • در 5 تا 7 سال: [FLT 1] نمایش آزمایشگاه یک بیکنش کامل یکپارچه که می تواند حجم آن را حداقل یک بار تحت شرایط شبیه سازی شده (فشار کم، کربن اتمسفر) دو برابر کند.
  • در 10 تا 15 سال: آزمون پرواز در ماه یا یک سایت آنالوگ مریخ (به عنوان مثال زیستگاه HI-SEAS در هاوایی) برای تأیید عملیات مستقل برای یک سال.
  • در 20 سال: استقرار یک بیکارگر بذر در مریخ به عنوان بخشی از ماموریت پیش از میلاد بدون سکنه، رشد به اندازه ای که از یک خدمه کوچک فضانوردان پس از ورود پشتیبانی می کند.

همانطور که این زمینه بالغ می شود، ممکن است ظهور " زیستگاه های زنده" را ببینیم که در آن دیوارها، پنجره ها و سیستم های پشتیبانی از زندگی همه از یک کیت استارتر رشد می کنند، به طور چشمگیری کاهش هزینه و خطر حل و فصل خود را یکپارچه می کنند: خود لایتناب ها صرفا یک ابزار نیستند - آنها یک تغییر پارادایم در چگونگی تصور زیرساخت ها را نشان می دهند، به جای اینکه ماشین های طبیعت یکپارچه را بسازند.