开发自我复制的生物反应器是空间探索和远程操作方面的一个重大进步,这些创新系统旨在通过自主生产食物、氧气和水等基本资源来维持人类生命和支持长期任务,而无需不断从地球补给。 随着人类进一步向太阳系进发,并寻求在极端环境中建立永久的前哨,建立自给自足的生物制造系统的能力成为一种转型能力。

什么是自我反应生物反应器?

自复制生物反应器是利用现有资源来生长和复制其部件的生物系统。 与传统的生物反应器不同,这些系统需要外部投入来维持和扩展,它们可以自主地提高自身能力,使它们在无法再补给或费用高昂的环境中成为理想。 这些反应堆的核心是利用生物体,如基因工程细菌、酵母、藻类甚至更高等,在复制反应堆基础设施的同时,也生产出理想的化合物。

这一概念从自然本身的生殖策略中汲取了灵感。 比如,生产纤维素的微生物可以构建结构组件;光合作用生物可以产生能量和氧气。 通过结合多种工程菌株和材料,研究人员设想了一个反应堆,可以自组装周围环境中所含原料的新室、管子、传感器和营养输送系统,无论是火星雷石、月球冰还是来自船员栖息地的废物流。

与常规生物反应物的关键区别

标准生物反应器(如触发-罐体或光生反应器)是需要定期清洗、再增殖和更换已磨损部件的固定尺寸容器。 它们未经人类干预无法增加体积或功能。自复制生物反应器在四个关键方面有所不同:

  • 自主放大:[ 它们可以生长较大或者乘以新的单位,而无需外部组装.
  • 自救:[]利用生物修复机制,可以封存或再生轻微损伤.
  • 资源利用: 他们积极挖掘来自当地来源的营养物质和矿物,减少对地球介质的依赖.
  • 进化适应: 生物成分在较长的时间内,可以通过定向或自然选择来适应不断变化的条件.

空间飞行任务中的应用

在空间飞行任务中,特别是前往火星或火星以外的长期旅行中,自我复制的生物反应器可提供重要资源的可持续来源。

  • 食物: 培育可食用植物和微生物——包括青菌、螺旋藻和酵母——产生蛋白质、碳水化合物和脂质。
  • 氧:通过光合作用(来自藻类或工程植物)或氧光电解等微生物过程产生可呼吸空气.
  • 水:从浓缩和过滤等生物过程回收和产生水,或从化学副产品中提取氢和氧.
  • 建筑材料:为3D打印生境和工具生产生物聚合物(如纤维素, ⁇ ).
  • 药材按需生产药品和维生素,减少医疗用品质量.

火星外派设想

考虑一个火星基地,其初始有效载荷为几公斤冻干微生物和营养储备。一旦到达,自复制生物反应器就激活,以经过加工释放水和铁的Regolis为食。在几周内,反应堆发展到一百升容量,为小船员提供新鲜的绿化、氧气和水。随着殖民地的扩张,一部分生物量被转用于建造额外的反应堆单元,每个单元都适合特定的资源流。 这种拖鞋方法极大地降低了从地球发射的质量,从吨到制造公斤的星际殖民在经济上是可行的。

技术基础

微生物工程师

自复制生物反应器的生物核心依赖于合成生物学. 科学家已经创造了E.大肠杆菌和酵母的菌株,这些菌株产生纤维素、丝蛋白,甚至进行丝状纤维. 空间应用方面,极端微生物如[]Deinococcus放射性杜兰[(抗辐射]和[]卤化物[(固盐-耐辐射),以容忍高真空、低压和宇宙辐射,此外,在3D-Printed Hibody 挑战的研究人员正在发展青霉素,可以固定火星大气中的氮,并释放将再石质粒装入水泥类物质中的化合物。

自大会和自还

一项重大的工程挑战是创造能够自我生长和修复的物理结构。一种方法是使用“生物脚手架 ” : 由转基因程序生物膜制成的软管,分泌聚沙酰胺。另一种方法是使用微盖,在机械压力引发时释放交叉连接的酶,类似于血块的修复伤口。为了复制,反应堆可能包含一个“印刷器”模块,将活细胞层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层

能源

自复制生物反应器必须具有有活力的自我维持能力。

  • Solar Photovoltaic 与人工光合作用(通过水分制产生的氢)结合.
  • ]热电发生器[(RTGs)用于日照弱的深空操作.
  • 利用电极-生物膜接口收割微生物代谢产生的电子的生物燃料电池[.

发展的挑战

尽管具有潜力,但开发自我复制的生物反应器面临着若干挑战:

  • 生物系统对温度波动、压力下降和辐射十分敏感。 需要故障保险机制和多余的遗传电路来防止“生物圈崩溃 ” 。 生物系统在极端环境中的可靠性和安全性是绝对的。 生物系统对温度波动、压力下降和辐射十分敏感。
  • 管理可能破坏生物过程的污染风险。 单一的突变或入侵微生物能够超过所制造的菌株。 研究人员正在采用杀菌开关和物种隔离技术,例如麻省理工学院开发的“杀菌开关”需要合成氨基酸才能生存。
  • 设计系统,以适应长任务中不断变化的条件。 多年来,即使是最先进的生物体也会进化。这可以用来提高韧性,但也带来风险。研究人员在 SynBioBeta[ 正在探索定向演化协议,以指导适应所期望的功能,同时维护安全。
  • 从实验室原型上缩放. 目前自复制的生物反应器试验床很小(毫升至升),向生境规模的体积缩放(百升)引入了大众运输和结构稳定性问题,这些问题尚未解决.
  • 管制和伦理考虑。 将生物体发射到太空需要行星保护监督,以避免污染本土环境(例如火星),这种双重用途技术也引起人们对自我复制系统失控的担忧——一种类似于生物恐怖主义的地球遏制情景。

最近的研究和里程碑

几个研究小组取得了显著进展:

  • 2022年,来自沃里克大学的团队开发了一个合成组,由bacillus subtilis和E.coli]组成,生成自组装水合物,可以编程形成任意形状,这个材料作为反应堆墙基进行研究.
  • 斯坦福大学[研究者创造了酵母菌株,可以在生长生物量和产生可降解细胞壁的酶之间切换,使营养物质能够自动释放给一个新的聚落——一种原始的复制形式.
  • 美国航天局的SynBio4Space[方案资助了“火星雷高利的生物制造者”[项目,该项目在生长的同时使用转基因氰菌来生产碳酸钙,从而在自身周围建立起一个坚实的结构。
  • 欧洲航天局在国际空间站进行的实验BIOMEX使地衣和氰菌暴露在空间条件下;它们幸存甚至复制,验证了天基生物反应器所需的复原力。

与地球远程操作的交互

同样的技术对我们地球的恶劣环境——北极站、深海基地和灾区——有着深远的影响。 在火山灰或化学溢出物袭击的地区,自我复制的生物反应器可能作为几克休眠细胞被空气滴入,然后被激活,从当地废物中产生清洁的水、食物和建筑材料。 它们也可以作为生物补救剂,在复制自己的过滤基础设施的同时破除污染物。 对于南极洲或阿塔卡马沙漠的偏远采矿作业,这种反应堆减少了补给的后勤尾巴。

未来前景

研究人员正在积极探索新的生物和工程解决方案,以克服目前的局限性,预计合成生物学和自动化的进步将提高这些生物反应器的效率和强性,今后它们将成为地球上可持续空间生境和远程运行的组成部分,例如在极端环境或灾害区。

近期的里程碑包括:

  • 在5-7年时间里: 实验室演示一种完全集成的自复制生物反应器,在模拟火星条件下(低压力,CO2大气)至少可以将体积翻一番.
  • 在10–15年中:在月球或火星模拟场地(如夏威夷的HI-SEAS栖息地)进行飞行试验,验证自主操作一年.
  • 20年时间里:在火星上部署种子生物反应器,作为未磨碎的前导任务的一部分,在到达时逐渐发展到一个能支持少量宇航员的体积.

随着实地的成熟,我们可能看到“生活生境”的出现,墙、窗户和生命支持系统都从一个启动装置中发展起来,从而大大降低了非世界定居的成本和风险。 自我复制的生物反应器不仅仅是一种工具 — — 它们代表着我们设想基础设施的范式转变。 我们不会建造机器来处理自然,而是会培育那些本身是自然的一部分,与当地环境无缝地结合的机器。