科學(xué)家們期待合成生物學(xué)和3D打印在太空中獲得生命支持

隨著宇航局準(zhǔn)備將人類送回月球甚至火星，他們需要弄清楚如何保持這些人的健康和安全，遠(yuǎn)離資源豐富的地球。

在任務(wù)過程中包裝他們可能需要的所有東西是不可行的，而像國際空間站(ISS)庫存的那些再補(bǔ)給任務(wù)將非常昂貴和冗長(zhǎng)。

這些宇航員可以打包的是地球獨(dú)特的可再生資源：細(xì)胞。例如，真菌和細(xì)菌的細(xì)胞可以用合成的DNA重編程以產(chǎn)生特定的材料，如生物塑料。然后可以將這些材料送入三維打印機(jī)，制造宇航員在航天飛行中可能需要的東西 - 從硬件和醫(yī)療設(shè)備到醫(yī)藥和食品。

在“ 生物技術(shù)趨勢(shì) ”在線發(fā)表的一篇評(píng)論文章中，來自大學(xué)空間研究協(xié)會(huì)(USRA)，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室和航空航天局的研究人員概述了合成生物學(xué)和3D打印可以在深空人類任務(wù)中支持生命的方法。但為了使這些想法成為現(xiàn)實(shí)，NASA正在尋求幫助。

林肯實(shí)驗(yàn)室生物工程系統(tǒng)和技術(shù)集團(tuán)的工作人員彼得·卡爾說：“我們的觀點(diǎn)是要求讓DIY [自己動(dòng)手]生物學(xué)和創(chuàng)客空間社區(qū)參與其中。” DIY生物學(xué)社區(qū)使公眾中的任何人都有興趣進(jìn)行生物工程。社區(qū)在傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)或行業(yè)環(huán)境之外運(yùn)作，并通過開放式采購傳播知識(shí)。許多DIY生物學(xué)家團(tuán)體經(jīng)營創(chuàng)客空間，為會(huì)員提供設(shè)備和用品，讓他們自己做實(shí)驗(yàn)。

“這些獨(dú)立的，不拘一格的社區(qū)一直在非傳統(tǒng)環(huán)境中生物，并且是快速原型設(shè)計(jì)和開發(fā)有限資源技術(shù)的先驅(qū)。這里有空間和NASA工作人員的需求，”卡爾說。“但這也要求像我們這樣的組織和航空航天局(NASA)在雙向過程中更深入地與他們建立聯(lián)系，因此有一條將人們的工作帶入太空的真正途徑。我們剛剛開始。”

3D打印機(jī)是創(chuàng)客空間的常見主要產(chǎn)品。使用3-D打印機(jī)在ISS上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明了它們可用于制造按需物品，例如替換硬件。但是，如果3D打印成為太空中長(zhǎng)期任務(wù)的可靠工具，那么就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新問題：需要為船舶提供打印機(jī)的原料。

為了滿足這一需求，作者設(shè)想使用合成生物學(xué)來生成定制的生物“墨水”到3D打印，無論在任務(wù)過程中可能需要什么。這一過程將為科學(xué)家們提供“為未知設(shè)計(jì)的自主權(quán)”，USRA研究員杰西卡·斯奈德說，他負(fù)責(zé)NASA學(xué)術(shù)使命服務(wù)的合成生物學(xué)任務(wù)。

活生物體可以將陽光，氮?dú)夂退D(zhuǎn)化為成品。生物工程師可以重新編程這些生物細(xì)胞的內(nèi)在邏輯，以產(chǎn)生目標(biāo)化合物。編輯這些細(xì)胞的構(gòu)建塊可以數(shù)字化并以DNA序列的形式發(fā)送給空間工作人員，該序列可以合成，組裝并插入船上的生物體中。林肯實(shí)驗(yàn)室的生物工程師大衛(wèi)沃爾什說：“這個(gè)想法就是我們所謂的'生物比特'轉(zhuǎn)換器。”

以下是如何實(shí)施這一愿景的一個(gè)例子：假設(shè)宇航員面臨2007年國際空間站發(fā)生的情況 - 太陽能電池板已經(jīng)撕裂，需要修理帶。在地球上，合成生物學(xué)家，無論是否為DIY類型，設(shè)計(jì)和測(cè)試遺傳程序，指導(dǎo)細(xì)菌生產(chǎn)用于3D打印的聚合物原料。(這項(xiàng)工作也可以在太空任務(wù)需要之前完成。)制造商社區(qū)設(shè)計(jì)出這些材料的表帶。這些遺傳指令和3D打印指令以數(shù)字方式從地球發(fā)送給太空工作人員。工作人員再現(xiàn)遺傳程序，細(xì)菌復(fù)制和合成原材料，用于3D打印表帶。在產(chǎn)品生命周期結(jié)束時(shí)，部件被回收并消化，

“我們擁有數(shù)字信息的力量。我們可以設(shè)計(jì)和計(jì)算地球上的所有扭結(jié)，只需將指令發(fā)送到太空，”沃爾什說。

可以使用相同的原理將DNA插入空間中的生物體中，以制備用于食品或藥品的目標(biāo)化合物，如果直接從地球帶來，則會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低空間輻射。

通過使用3D打印的微流體裝置，宇航員將能夠進(jìn)行這些復(fù)雜的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些微小的“芯片實(shí)驗(yàn)室”設(shè)備通過微通道自動(dòng)控制流體和流體混合物，并且僅使用痕量化學(xué)物質(zhì)在幾秒鐘內(nèi)并行運(yùn)行數(shù)百個(gè)生物反應(yīng)。遺傳指令將直接發(fā)送到控制這些微流體裝置的電子設(shè)備，使他們能夠精確地遵循數(shù)字“配方”來合成DNA分子。

今年早些時(shí)候，宇航局艾姆斯研究中心的科學(xué)家林恩·羅斯柴爾德(Lynn Rothschild)共同撰寫了這篇評(píng)論文章，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在太空進(jìn)行了第一次合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)試空間細(xì)菌如何利用插入基因組的合成DNA以及細(xì)菌產(chǎn)生蛋白質(zhì)的能力，同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以模擬微重力(ISS遇到的宇航員)，月球重力和火星重力水平。實(shí)驗(yàn)發(fā)生在德國衛(wèi)星任務(wù)Eu：CROPIS(Euglena和太空聯(lián)合再生有機(jī)食品生產(chǎn))上的PowerCell有效載荷上。

然而，還有很長(zhǎng)的路要走，無論是在合成生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，還是想出所有可以在空間中使用生物材料進(jìn)行3D打印的參數(shù)。“例如，細(xì)菌將需要水并占用空間;它們需要適當(dāng)?shù)纳姝h(huán)境;它們會(huì)產(chǎn)生廢物。我們?nèi)匀恍枰獙⑦@些想法與現(xiàn)實(shí)世界的限制相提并論，”卡爾說。

但現(xiàn)在迫切需要開發(fā)這些概念。如果合成生物學(xué)和三維打印技術(shù)能夠及時(shí)被證明并在接近地球的任務(wù)中實(shí)施，從而可以相對(duì)快速地發(fā)送物資，那么它們可以被用于長(zhǎng)期的火星任務(wù)。

“靈活的制造技術(shù)為目的地幾天之外的地球供應(yīng)鏈提供了極好的補(bǔ)充，例如國際空間站和可能的月球基礎(chǔ)設(shè)施。讓我們利用這種冗余來建立一個(gè)空間制造能力，以進(jìn)一步推動(dòng)我們更安全地進(jìn)入太空，“斯奈德說?，F(xiàn)在，自己動(dòng)手的生物學(xué)家和制造商可以通過在開源存儲(chǔ)庫上發(fā)布他們的3D打印產(chǎn)品，微流體設(shè)備或合成DNA設(shè)計(jì)以及測(cè)試和編輯已發(fā)布的設(shè)計(jì)來提供幫助。“如果DIY生物社區(qū)使用，反復(fù)改進(jìn)并最終批準(zhǔn)某項(xiàng)技術(shù)，那么該技術(shù)的優(yōu)化程度將超過大多數(shù)個(gè)人或團(tuán)隊(duì)所能提供的，而且不會(huì)付出太多努力。與這些社區(qū)合作是一項(xiàng)寶貴的資產(chǎn)，” 斯奈德補(bǔ)充道。有興趣的人也可以看到NASA的百年挑戰(zhàn)賽，其中概述了NASA尋求公眾幫助解決的問題。

“我們經(jīng)常聽到那位年輕時(shí)受NASA啟發(fā)并在那里工作的工程師。但那些受這些宏偉創(chuàng)意啟發(fā)的生物人怎么樣?他們?nèi)绾呜暙I(xiàn)?現(xiàn)在是將他們的想法轉(zhuǎn)變?yōu)樘盏臋C(jī)會(huì)， “卡爾說。“創(chuàng)新有很多機(jī)會(huì)。”