自己再循環型バイオリアクターの開発は、宇宙探査とリモート操作における重要な進歩を表しています。これらの革新的なシステムは、食品、酸素、水などの重要なリソースを自動生成し、地球からの一定の補給の必要性なしに、人間の生活と長期的なミッションを持続することを目指しています。人類が太陽系にさらに押し上げ、極端な環境で永続的なアウトポストを確立しようとすると、自己吸入型生物学システムを作成する能力は、変容性能力になります。

自己再演バイオリアクターとは何ですか?

自己再演バイオリアクターは、利用可能なリソースを使用して、コンポーネントを成長および再現するために設計された生物学的システムです。 従来のバイオリアクターとは異なり、メンテナンスと拡張のための外部入力を必要とする、これらのシステムは、自律的に能力を増加させ、再供給が不可能または禁止的に高価である環境のためにそれらに理想的にすることができます。 彼らのコアでは、これらの原子炉は、遺伝子工学的細菌、イースト、藻、またはさらにはより高い植物などの生物を、反応器自体を再現しながら、目的の化合物を生成することができます。

コンセプトは、自然独自の生殖戦略からインスピレーションを引き出します。例えば、セルロースを生成する微生物は、構造的なコンポーネントを構築することができます。光合成生物は、エネルギーと酸素を生成することができます。複数のエンジニアリング株と材料を組み合わせることで、研究者は、新しいチャンバー、チューブ、センサー、および周囲の環境に含まれる飼料から栄養素のデリバリーシステムを自己アセンブリできる原子炉を考案しました。マルティアン・レボレス、ルナーアイス、または廃棄物が、その生息地から流入するかどうか。

慣習的なバイオリアクターからの重要な特徴

標準的なバイオリアクター(例えば、攪拌タンクまたは光バイオオラクタ)は、定期的な清掃、再絶縁、および着用部品の交換を必要とする固定サイズの容器です。 彼らは人間の介入なしで、そのボリュームまたは機能性を高めることはできません。 自己補充バイオリアクターは、4つの重要な方法で異なります。

  • :自動スケーリング:]]:外部アセンブリなしで、より大きく、または新しいユニットに乗っることができます。
  • [:自己治癒:[]]]]:生物学的修復メカニズムを使用して、マイナーな損傷は、密封または再生することができます。
  • 資源利用:] は、地域情報から栄養素やミネラルを積極的に確保し、地球に供給されたメディアに依存する。
  • []進化適応:[] 長期にわたって、生物学的成分は、指示または自然選択を介して条件を変更するために適応することができます。

宇宙ミッションへの応用

宇宙ミッションでは、特にマルスやそれを超える長期にわたる旅行では、自己再編バイオリアクターは、持続可能な資源源を提供できる。 彼らは生産することができます:

  • フード:]]シナノ細菌、スピルリナ、イーストを含む食用植物および微生物を栽培する - 脂肪酸、および脂質。
  • [酸素:]]] 光合成(藻や加工工場)や酸素光電などの微生物プロセスを介して通気性の空気を発生させる。
  • 水:]] 凝縮およびろ過のような生物的プロセスからの水をリサイクルし、または化学副産物からの水素そして酸素を抽出することによって作り出します。
  • 構造材料:]] 3Dプリント生息地およびツールのバイオポリマー(例えば、セルロース、キチン)の生産。
  • 医薬品とビタミンを要求に合わせ、医療用品の量を削減する。

マルティアン・アウトポスト・シナリオ

凍結乾燥微生物と栄養素の株式の数キログラムの初期のペイロードでマーズベースを考慮する。到着すると、自己再循環バイオリアクターが活性化し、水と鉄を解放するために処理された規制に供給します。数週間以内に、原子炉は100リットルの容量に成長し、小さな乗組員に新鮮な緑、酸素、水を提供します。コロニーが拡大すると、バイオマスの部分は、各々の植物が分離して、各々の活性化を促進します。

テクニカルファウンデーション

設計微生物

自己再演バイオリアクターの生物学的コアは、合成生物学に依存しています。科学者は、すでにの緊張を生成しました。 衝突とセルロース、シルクタンパク質、またはフィラメントを生成するイースト。 宇宙アプリケーションの場合、体外活性生物は]のように放射線量と、および体外活性物質は、FLT[FLT:]と[FLT:]を分解する物質が、および[FLT]を変形させることができる[FLT]を変形させる]および[FLT]を変形させる:[FLT]を変形させる]。 [FLT:[FLT:[F]と[FLT:[F]を変形する:[F]を変形する:[F]と[F]を変形する:[F]を変形する:[F]と[F]を変形する:[F]と[F]を[F]を[F]を[F]と[F]を[F]を[F]を[F]、および[F]F]、および[F]F

自己組立・セルフ修理

主要なエンジニアリングチャレンジは、成長し、自分自身を修復することができる物理的構造を作成しています。 1つのアプローチは、遺伝子組換えバイオフィルムから作られた柔軟なチューブを使用して、分泌物が強化された多糖類を補強します。 もう1つの方法は、機械的ストレスによってトリガーされたときに、マイクロカプセルを採用し、血液凝固修復が傷を修復する方法をアナログに使用します。 合併症のために、原子炉は、層によって生きた細胞を堆積させる「プリンター」モジュールが含まれているかもしれません。 現在は、新しい構造体を組み込むために、FLTR1を組み込むことができます。 [F]

エネルギー源

自己再演バイオリアクターは、エネルギー的に自己持続的である必要があります。 オプションには、

  • []Solar Photovoltaic]]は人工光合成(水割りによる水素生産)と相まっていました。
  • 日光が弱い空間操作のための電波暗熱電発生器[(RTG)。
  • 電極バイオフィルムインターフェースを用いた微生物代謝から電子を収穫する生物学的燃料電池。

開発課題

潜在的なものの、自己再演バイオリアクターの開発は、いくつかの課題に直面しています。

  • [] 極端な環境での信頼性と安全性を確保します。[] 生物学的システムは、温度変動、圧力降下、放射線に敏感です。 「双発崩壊」を防ぐには、安全メカニズムと冗長遺伝回路が必要です。
  • [] 生物学的プロセスを破壊する汚染リスクの管理。[[] 単一の突然変異または侵略微生物は、エンジニアの緊張を克服することができます。研究者は、キルスイッチと種分離技術を組み込んでいます。例には、生存のための合成アミノ酸を必要とするMITで開発された「パスコード」キルスイッチが含まれます。
  • [] 長いミッションで条件を変更できるシステムの設計。[ 長年に渡って、最高のエンジニアリング有機体が進化する。これは、レジリエンスのために活用されるだけでなく、リスクを削減することができます。 []SynBioBeta]]の研究者は、安全を事前保存しながら、目的の機能に対する適応を導くために、指向の進化プロトコルを探求しています。
  • 実験プロトタイプからスケールアップ。[ 現在の自動再演バイオリアクターテストベッドは小さい(リットルからリットル)です。 生息量をスケーリングする(リットルの狩猟)はまだ解決しなければならない質量輸送と構造的安定性の問題を紹介します。
  • [規制と倫理的配慮。[]] リビングの生物を空間に起動すると、惑星保護が優先され、ネイティブ環境(例えば、火星)を汚染することを避けることができます。このデュアルユース技術は、制御から実行されるセルフリプケーティングシステムに関する懸念も高まり、地球ベースの原子封止シナリオは生体テロリズムに似ています。

最近の研究とマイルストーン

いくつかの研究グループは、注目すべき進歩をした:

  • 2022年、Warwick Universityのチームは、 ]の合成コンソーシアムを開発しました。 バッファロース・パーチリスと]]E. coliは、任意の形状を形成するためにプログラムされる自己組み立て式ハイドロゲルを生成します。 この材料は、原子炉壁の基礎として研究されています。
  • スタンフォード大学]]研究者は、成長するバイオマスと細胞壁を劣化させる酵素を切り替え、新しいコロニーのための栄養素の自動放出を可能にするイースト株を作成しました。
  • NASAのSynBio4Spaceプログラムが]]に資金を調達しました。 「Martian Regolithのバイオリアクター製造」プロジェクト。 遺伝子改変シナノバリウムを使用して、成長しながら炭酸カルシウムを生産し、それ自体の周りに固体構造を構築します。
  • ISSの宇宙庁のBIOMEX[実験は、宇宙環境に暴露されたリチェンとシアノバクテリアを曝した。彼らは生き残って、さらに、宇宙ベースのバイオリアクターに必要なレジリエンスを検証する。

地球上のリモートオペレーションとの対話

同じ技術は、独自の惑星-地下室、深海基地、および災害地帯の過酷な環境に大きな影響を与えています。 火山灰や化学的流出による領域では、自己再循環バイオリアクターは、いくつかのグラムのダーミトセルとしてエアドロップされ、その後、地元の廃棄物からクリーンな水、食品、および建築材料を生成するために活性化することができます。 彼らはまた、バイオリメディエーションエージェントとして機能し、遠隔地での堆積物や、湿地の堆積物などの堆積物を修復する。 アナマは、このような作業を低減します。

今後の展望

研究者は、現在の制限を克服するために、新しい生物学的および工学的ソリューションを積極的に探しています。合成生物学および自動化の進歩は、これらのバイオリアクターの効率性と堅牢性を高めることが期待されています。将来的に、彼らは極端な環境や災害ゾーンなど、地球上の持続可能な宇宙生息地とリモート操作に不可欠になる可能性があります。

ほぼ一マイルストーンには以下が含まれます。

  • []5～7年以内:[:完全に統合された自己再演バイオリアクターの実験デモは、少なくとも一度にそのボリュームをシミュレートされたマルティアン条件(低圧、CO2大気)の下で2倍増させることができます。
  • []10〜15年以内:[月または火星アナログサイト(ハワイのHI-SEAS生息地など)のフライトテストで1年間自動運転を検証します。
  • 20年以内に、火星の種子バイオリアクターの展開を、未乗の先駆者ミッションの一環として、到着時にアストロナウトの小人を支えるサイズに成長しました。

フィールドが成熟するにつれて、壁、窓、およびライフサポートシステムがスターターキットから成長しているすべての「リビング生息地」の出現状況がわかり、オフ・ワールド・決済のコストとリスクを大幅に削減します。 セルフ・リプライシング・バイオリアクターは単なるツールではありません。これらは、インフラストラクチャの認識にパラダイムシフトを表しています。 自然を処理するための機械の構築の代わりに、我々は(:[FLT]:[F]を、ローカル環境をシームレスに統合]、その機械を栽培します。