2023年合成生物学竞赛·创新赛第十二期《常规赛科普专题》文章来自上海科技大学ShanghaiTech团队，题为“走向太空：合成生物学助力火星移民”。
走向太空：合成生物学助力火星移民
序章：内容介绍
一直以来，人类都对宇宙的奥秘充满探究的好奇心和渴望。随着地球资源日益短缺、人口持续增长，探索和殖民外星球已经成为一种不可避免的趋势和选择。在未来，借助科技的力量和人类的智慧，我们或许可以在太空中寻找新的资源和生命迹象，探究宇宙的奥秘，开辟更为广阔的天地。航天技术的奠基人齐奥尔科夫斯基曾预言：地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里，我们将小心翼翼地穿出大气层，然后去征服太阳系。作为同样处于太阳系宜居住的行星，火星拥有大气层和丰富的地表资源，很可能会成为人类“征服太阳系”，成为异星移民的第一站。
未来：人类终将走向火星
然而，走向地外的过程中，人类也面临着巨大的困难。火星与地球的自然环境大相径庭，无疑会给人类的生产生活、长期生存带来巨大的挑战。同时，如果所有的物资都需要依赖地球的供应，供应链的建设会越发艰巨，使得地外人类的生活将时刻处于由供应链稳定性带来的风险中。因此，在火星的条件下可持续地生产人类生活所需的物资，是实现火星移民的关键。
那么，如何才能实现生活物资在火星的原位合成呢？合成生物学给出了可能的方案：通过组装已知功能的基因通路，使用不同种类的工程菌株，利用地球亿万年的进化产物，实现衣食住行各个方面生活物资的原位生产。微生物具有培养体积小、增殖快、耐受性强、能量利用率高等特点，因此可以为人类所用，在有限的空间和资源下高效地生产，来满足太空探索中的基本需求，减少对地球环境的依赖，降低运输成本和风险[1]。由于其较强的生命力，微生物只需偶尔的人工监测和修复即可实现自我维持，总体上可能比用物理化学方法生产需要更少的能源和配套设备，这样一来就节约了人力、物力与重量，使得在有效载荷一定的情况下，火箭可以运载更多设备和初始物资进入太空[2]。未来人们甚至还可以通过改造微生物使其适应太空环境的特殊条件，如低温、高辐射、低压、缺氧等，进一步提高其生存和生产能力。
挑战：如何在火星上实现“衣食住行”的自给自足？
“民以食为天”，实现食物的原位生产是火星移民的关键步骤。地球上的大多数生态系统都以光自养生物为基础，这些光自养生物利用光的能量将二氧化碳固定成有机生物分子，作为生态系统活动的能量来源。在地球上，人类通过耕种、畜牧或者狩猎等方式从生态系统中获取食物来源。而遗传工程改造后的微生物可以直接合成营养物质，以替代传统的食物获取方式。"非五谷无以充腹"，但是，合成生物学告诉我们，藻类也可以充腹。改造后的藻类生物，不仅可以作为食物来源，还可以用于空气再生。这些微生物生长在培养基和密集发酵罐中，避免了种植作物在火星上面临的各种挑战，如土壤条件恶劣、气候变化和光照不足等问题。合成生物学使得复杂的蔬菜食品转向更快、资源密集度更低的简单细胞食品生产成为可能，为给未来星际旅行、异星殖民提供了新型、高效的生产策略[3]。
“日图三餐，夜图一宿”，合成生物学同样可以助力火星上的住宅建造。作为建筑和粘结材料，混凝土和水泥在地球上至关重要，但将这些建材运至火星显然是不现实的，地球以外的基础设施的建设和维护势必会是一项必要但艰巨的任务。合成生物学或许还可以在建材原位生产方面大放异彩——生物混凝土和真菌菌丝体就是两个拥有巨大应用潜力的生物建材。在合成生物学的加持下，一些微生物拥有诱导碳酸钙沉淀的能力（MICP能力）。利用具有MICP能力的细菌具有MICP能力的细菌可以合成可再生的生物混凝土[4]。在火星上，我们可以利用具有MICP能力的细菌，将火星风化层固结成“太空砖”，以获得建筑材料[5]。真菌菌丝体则可以形成致密的网络，以菌丝体为基体，通过与其他材料（例如火星风化层）结合，形成坚固而有弹性，甚至具备自修复能力的复合材料，这可能成为在火星建造家具和栖息地外层结构的可靠手段[6]。
图1 通过MICP形成的金属碳酸盐的简化图示[13]
想要持续地走向更加遥远的太空，燃料的补给就不能完全依赖于地球。因此，为了提高人类探索远日行星和系外星球的效率，在火星基地直接生产宇宙飞船所需的燃料就显得非常重要，合成生物学或许也可以在这方面发挥重要作用。利用工程菌可以将火星大气中的二氧化碳还原为甲烷——这是未来火箭理想燃料的发展思路之一。在这个方法中，需要一个微生物电合成反应器，其中包含一个阳极室和一个阴极室：阳极室中有一个氧化剂（如水或有机物），阴极室中有一个还原剂（如二氧化碳）。当外加电压时，阳极上发生氧化反应，产生电子和质子；阴极上发生还原反应，消耗电子和质子。在阴极室中存在一种或多种能够利用电子和质子将二氧化碳还原为甲烷的工程菌，如产甲烷古菌。这样一来，就可以在阴极收集甲烷，为宇宙飞船提供清洁、效率高的燃料[7]。如果这能够实现，火星基地未来不仅会成为利用火星资源的开采站，更会是人类探索更加广阔深空的加油站。
图2 微生物电合成反应器[11]
“非丝麻无以盖形”，制作衣服的基础便是棉麻蚕丝等丝状生物材料。蛛丝作为天然的丝状材料，具有制作服装的巨大潜力。重组蛛丝蛋白是利用基因工程技术将蜘蛛丝基因导入宿主细胞，如大肠杆菌，使其表达出具有类似于天然蜘蛛丝的性质的蛋白质。这些蛋白质具有高强度、高韧性和高生物相容性，非常适合用于制造仿生材料。制造火星上的服装所需的蛛丝纤维，需要经过一系列步骤：首先需要收集或提取重组蛛丝蛋白，进行纯化处理，并将这些蛋白溶解在适当的溶剂中。接下来就可以通过不同的方法，如纺丝，将重组蛛丝蛋白溶液加工成所需的纤维形态。它可以用于制作舒适耐用的服装，为火星上的居民提供良好的保护和舒适感。这种仿生材料的开发，不仅满足了火星探索任务中的衣物需求，还为人类在建立可持续发展的社区提供了一种创新的解决方案[8]。
设计：三元微型生物生产循环系统
上述各种功能的实现，都需要建立在微生物能够利用火星资源的基础之上。生命组成最重要的两种元素——碳和氮，在火星大气中以二氧化碳和氮气的形式存在，这为微生物提供了丰富的碳源和氮源[9]。想要在火星上实现可持续化生产，我们需要利用这两种元素。基于合成生物学的技术方法，我们设计了在火星环境中以三元微生物共生为基础的微型生物生产循环系统。
图3 三元微生物生产循环系统[12]
该系统依靠聚球藻的光合作用和根瘤菌的固氮作用固定火星大气中的二氧化碳和氮气，再结合大肠杆菌利用简单碳源和氮源生产更复杂的产品。大肠杆菌工程菌、聚球藻和茎瘤固氮根瘤菌构成的共培养体系使这三个过程相互联系，彼此循环，最终实现在火星环境中满足人类对食品和药物的需求。为了实现上述可循环、稳定生产的目标，通过引入一些基因通路建立起这三种微生物之间有效的营养物质交流、强化它们之间的共生关系是至关重要的两个环节。
火星大气中的氮元素经固氮根瘤菌固定后，以铵根离子的形式存在，可以被微生物直接利用。蓝藻将碳元素固定为蔗糖，但蓝藻细胞无法将蔗糖转运至胞外，为了实现蔗糖转运，我们向蓝藻中转入了蔗糖转运蛋白基因，使得蓝藻能够将蔗糖泵出[10]。同时，我们向大肠杆菌中引入SacC基因，使得大肠杆菌能够分泌出把蔗糖水解为葡萄糖和果糖的酶，使得大肠杆菌能够利用胞外的蔗糖。这样一来，三种微生物之间的营养物质交流就得以实现了。
为了强化它们之间的共生关系，则可以引入反馈调节系统来稳定体系内的营养流通：如利用营养饥饿启动子指导信号分子的合成，将细胞内饥饿信号转化为细胞间的化学信号，激活目标基因的表达来提高营养的输出。而利用两套这样的彼此正交的信号系统就能够解决碳调控和氮调控的正交性问题：大肠杆菌缺乏碳源时，它会通过碳饥饿启动子来表达合成信号分子的基因。信号分子可以在培养液中扩散到蓝藻细胞，与蓝藻细胞内的相应受体结合，引发导致蓝藻内合成糖原基因沉默的机制，从而提高蔗糖输出；而固氮菌则可以利用氮饥饿启动子和另一种信号分子来调节固氮速率……三种微生物就这样通过胞间交流的方式实现营养平衡和共生稳定。
尾声：全文总结
当未来人类走出地球，走向太空，在火星生态系统生活时，合成生物学为利用外星球资源，原位产出生活资料、生产资料提供的思路和方法将成为人类探索太阳系、开拓宇宙的坚实基础。基于合成生物学的创新技术方案，不仅能够降低对地球资源的依赖，而且拓展了人们对星际旅行的认知与想象。随着合成生物学技术不断革新和发展，我们相信在不久的将来，它将引领人类走向星辰大海，创造更加美好的未来。
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合成生物学竞赛·创新赛由中国生物工程学会合成生物学专业委员会指导并主办。创新赛聚焦合成生物学领域，汇聚全球领域内领军专家学者，面向对合成生物学有热情的在校大学生以及在读硕士研究生，为青年学生提供一个与顶尖学者面对面交流学习、展现自身创新力的创智、创造平台。创新赛践行合成生物学“造物致知、造物致用”的理念鼓励当代学生从兴趣出发，探索合成生物学在不同领域的创新和应用，同时为合成生物学、生命科学、交叉学科培养后备生力军。
