Shannon Nangle voltooide haar doctoraat, klaar om een ​​nieuwe uitdaging aan te gaan en haar zinnen te zetten op onderzoek om de kolonisatie van Mars mogelijk te maken. Maar ze doet geen onderzoek naar raketbrandstoffen of ruimtepakken. Ze gebruikt synthetische biologie om de bioproductie van de benodigde hulpbronnen te verbeteren met behulp van eenvoudige inputs zoals zonlicht, water, en CO2.

in 2015, een samenwerking tussen Pam Silver en het laboratorium van Daniel Nocera toonde aan dat de bacterie Ralstonia eutropha samen met watersplitsing kan worden gebruikt om biomassa en foezelalcoholen te creëren. In 2016 volgden ze met 'bionic leaf 2.0' dat een meer biocompatibele katalysator gebruikte om de efficiëntie van natuurlijke fotosynthese te verslaan. Nutsvoorzieningen, de technologie moet worden uitgebreid en opgeschaald om de vele potentiële toepassingen van een efficiënte technologie van zonne-energie tot bioproduct aan te kunnen.

Ontwikkelde bacteriën om bioplastic te maken

Om meer te weten te komen over het laatste werk om het bionische blad uit het lab te halen en misschien ooit naar Mars, Ik ontmoette Shannon en afgestudeerde studente Marika Ziesack, beide leden van Pam Silver's lab, in hun laboratoriumruimte aan de Harvard Medical School. Ik zag de benchtop-opstelling voor het testen van Ralstonia eutropha met de biocompatibele katalysatoren. Een stroombron wordt aangesloten op de kleine elektroden die in het compartiment met de bacteriën zitten. Terwijl de elektriciteit wordt toegepast, splitst het water - dat als H2O twee waterstofatomen en één zuurstofatoom heeft - in waterstof en zuurstof. De bacterie, Ralstonia eutropha in dit geval, kunnen die waterstof vervolgens samen met koolstofdioxide gebruiken om biomassa te produceren, zoals het bioplastic-precursorpolymeer polyhydroxybutyraat (PHB).

Ralstonia eutropha kan ook worden ontwikkeld om bepaalde vetzuren en enzymen te overproduceren die meer biopolymeren mogelijk maken dan alleen PHB. Dat is een van de verbeteringen waar Shannon en Marika aan werken, zodat biopolymeren met verschillende structurele eigenschappen kunnen worden geproduceerd en gebruikt als biologisch afbreekbare materialen hier op aarde of als hernieuwbare bouwstenen op Mars.

Andere technische verbeteringen kunnen worden aangebracht, zodat de bacteriën stress kunnen verdragen, zoals hoge zoutconcentraties die de geleidbaarheid van de oplossing kunnen verbeteren. Ze noemden zelfs de mogelijkheid van een bacterie die kan groeien in een mengsel dat urineafval bevat om duurzamere waterrecycling mogelijk te maken. Bacteriën die in een laboratorium of productiefaciliteit worden gekweekt, hebben meestal een grondstof nodig van biomassa die uiteindelijk de grote kostenpost kan zijn bij de productie van bioplastic. Met zonlicht, water, en lucht als inputs is het mogelijk om de dure grondstoffen te omzeilen die normaal zouden worden gebruikt om deze bioplastics te maken.

Verhuizen uit het lab (en misschien ooit naar Mars)

Om toepassingen zoals ruimteverkenning echt aan te pakken, synthetische biologie zal zich in het veld moeten bewijzen. Anderen hebben opgemerkt dat synthetische biologie cruciaal kan zijn voor een Mars-missie, maar eerst van een laboratoriumbank af moet. Daarom werkt het team van Harvard aan meer draagbare versies van het bionische blad om hopelijk te laten zien dat het ook buiten het laboratorium zou kunnen werken met alleen middelen die gemakkelijk te vinden zijn op aarde of op Mars:zonne-energie, water, en koolstofdioxide.

Een van de vele uitdagingen van de kolonisatie van Mars zou de noodzaak zijn om hulpbronnen te gebruiken die op Mars worden gevonden in plaats van alles van de aarde te halen. Dit gebruik van hulpbronnen in de ruimte wordt gewoonlijk in situ gebruik van hulpbronnen genoemd, en het zou nodig zijn voor langdurige ruimtemissies of kolonisatie. Er is een andere verzameling hulpbronnen in de ruimte dan op aarde, maar in de afgelopen jaren heeft NASA aangetoond dat er water op Mars bestaat met bevroren afzettingen die de hoeveelheid water in Lake Superior bereiken. Als zonne-energie kan worden gebruikt om dat water te splitsen, wordt waterstof geproduceerd en heb je alleen CO2 nodig om bioplastics te produceren. Gelukkig, hoewel de atmosfeer van Mars 100 keer minder dicht is dan op aarde, 96% daarvan bestaat uit CO2. Dus als een technologie als synthetische biologie op betrouwbare wijze water en CO2 in bruikbare materialen kan omzetten, zou dat ideaal zijn voor de omstandigheden op Mars.

Eenmaal gemanipuleerde bacteriën kunnen de in situ hulpbronnen omzetten in iets nuttigs zoals bioplastics, verdere verwerking kan worden gedaan om de benodigde gereedschappen te maken. Met bioplastics kan dat 3D-printen betekenen van producten die op een duurzame manier zijn gemaakt met biologisch afbreekbare materialen. Dus zelfs als deze technologie nooit op Mars komt, kan het manieren vinden om enkele van de agressieve chemische processen die we momenteel gebruiken te vervangen door biologische processen.

Biologie heeft al een manier gevonden om veel chemische processen extreem efficiënt uit te voeren zonder hoge temperaturen of agressieve chemicaliën die vaak worden gebruikt in industriële processen. Naarmate onderzoekers leren gebruik te maken van de diverse biologische routes die al bestaan, zullen er meer mogelijkheden zijn om cellen te ontwikkelen die chemische reactoren kunnen vervangen. Meer geavanceerde modellen kunnen zelfs leiden tot voorspellingen over welk pad precies moet worden gebruikt om aan uw uiteindelijke productbehoeften te voldoen. De mogelijkheid om te profiteren van zoveel mogelijkheden die biologie biedt, is wat zoveel mensen enthousiast maakt over synthetische biologie als technologie.

Maar voor nu, het bionische blad en andere veelbelovende hulpmiddelen voor synthetische biologie zullen moeten bewijzen hoe ze kunnen schalen en presteren in moeilijke omstandigheden buiten het laboratorium. Terwijl ze dat doen, onderzoekers op het gebied van synthetische biologie zoals Shannon zullen ons in de richting van de grote doelen brengen, zoals het mogelijk maken van Mars-kolonisatie.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan PLOS Blogs:blogs.plos.org.