本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
想象一下，一群富有冒险精神的伙伴出发前往广阔的边疆，探索一片荒凉、狂野的土地。他们必须只携带维持生存的最重要物品。他们决定携带的每一盎司重量都意味着他们必须运输的又一盎司重量。这听起来像是一次极端的背包旅行，但我实际上说的是未来前往火星表面的任务。
我们认为地球上所有支持人类生命的事物都是理所当然的——呼吸的空气、饮用的水以及土壤中允许我们种植食物的养分。然而，在火星上，宇航员将需要携带自己的生命支持系统，而运输成本可能高得令人望而却步。如果没有一种轻便灵活的技术，能够利用有限的资源制造各种产品，第一批火星探险者将无法在旅程中生存下来。
通常，微生物被认为是太空任务的威胁，因为它们可能引起疾病。但非致病性微生物实际上可能是前往火星的解决方案的一部分。微生物可以将各种各样的原材料转化为大量必需产品。利用工程原理，合成生物学可以被用来将微生物变成微小的可编程工厂。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
当我于2012年加入克莱姆森大学化学与生物分子工程系时，我开始研究酵母作为制造化学品的方法。我的研究小组研究一种名为解脂耶罗威亚酵母的酵母，它可以有效地将各种低价值废物流转化为甘油三酯形式的脂肪酸。利用基因工程，可以添加来自其他生物体的基因，以生产脂肪酸衍生物，例如生物燃料、粘合剂前体和营养保健品。
我的学生和我开始思考哪里有大量废物可用；废物的储存会在哪里构成重大问题；以及哪里会短缺酵母衍生产品。事实证明，毫不奇怪，人类废物既成问题又不可避免：它产生的废物超过典型任务产生废物的一半。这最明显地包括尿液和粪便。但也包括乘员呼吸、排汗和卫生产生二氧化碳和水；食物垃圾、包装垃圾甚至死皮细胞。这听起来很恶心，但我们想知道是否可以对解脂耶罗威亚酵母进行工程改造，使其能够利用这些材料制造对任务至关重要的脂肪酸衍生产品。
我们使用合成生物学将藻类和植物的基因“剪切和粘贴”到我们的酵母中。这使它们能够产生omega-3脂肪酸，如二十碳五烯酸 (EPA)，这是一种鱼油的生物活性成分，已被证明可以预防宇航员的骨密度流失。在一个单独的菌株中，我们插入了一个来自细菌的基因，该基因将脂肪酸转化为称为聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 的聚酯。通过工程改造脂肪酸代谢途径，我们可以调整各个 PHA 单元的性质，从而制造出性能与其应用相匹配的塑料。这对于火星任务可能很重要，它可以作为一种制造 3D 打印零件或破损或丢失的工具所需的聚合物的方法。
微生物需要进食，而我们接下来的挑战是如何喂养它们。作为碳源，我们选择了二氧化碳，乘员每天产生超过一公斤的二氧化碳。二氧化碳在火星上也大量存在，占大气层的 97% 以上。由于我们的酵母不直接消耗二氧化碳，我们使用一种快速生长的蓝藻，将二氧化碳转化为糖和细胞生物质，供我们的酵母使用。
酵母生长所需的另一个主要元素是氮，它以尿素的形式存在于人类尿液中。在最近发表于应用微生物学和生物技术杂志上的一篇文章中，我们报道了解脂耶罗威亚酵母对尿素的有效利用。这不足为奇：这种酵母具有与那些定殖于人类泌尿道并食用尿素的微生物相似的基因。
虽然微生物不是唯一的解决方案，但应继续开发它们以用于未来的火星任务。随着我们越来越擅长设计微生物来制造特定产品，满足前往火星的先驱者的需求可能会变得像在地球上背包旅行一样容易，但我们仍然有很长的路要走。
作者是在线课程分享你的科学：为杂志、报纸等撰写博客的毕业生，该课程由《大众科学》和石溪大学艾伦·阿尔达传播科学中心提供，并由卡夫利基金会赞助。