本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
在过去的几个月里，我一直在思考和撰写关于太空殖民地的一些文章，最近我有幸与一群 iGEM 学生进行了交谈，他们去年夏天设计了合成微生物，以帮助宇航员在火星上建立社区。 布朗-斯坦福联合团队与 NASA 科学家合作开展了一个双管齐下的项目。他们的第一个项目，REGObricks，利用细菌将尿素分解成可用于形成晶体的化学物质，这些晶体可以将火星沙粘合成坚固的建筑材料。第二个项目是 PowerCell——工程改造光合细菌，可以将阳光转化为为其他生物供能所需的化学能（如糖）。他们的短片预告片是对他们团队的精彩介绍
该团队在夏季努力工作，设计并构建了概念验证系统，并最终入围美洲区域竞赛，并在麻省理工学院举行的国际联欢会上获得了最佳新应用奖。以下是我与团队及其顾问 Lynn Rothschild 进行的电子邮件对话的略微压缩和编辑版本。
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你们的团队汇集了来自不同机构的学生和教职员工，您能简单介绍一下团队是如何成立的，以及作为一个多机构（以及可能的多行星！）研究项目是什么样的吗？
布朗大学 2011 年的 iGEM 团队对开展 NASA 相关项目以及可能在去年 8 月在 NASA 工作感到兴奋。当发现之前指导布朗大学 iGEM 团队的 Wessel 教授决定不再继续时，Lynn Rothschild 博士利用她在布朗大学担任（兼职）教授的职位，成为教职顾问。由于斯坦福大学（另一所拥有骄傲的 iGEM 传统的大学）也没有派出团队，并且她在斯坦福大学担任（咨询）教授时也在斯坦福大学教授天体生物学和太空探索课程，她邀请了几位斯坦福大学的学生加入该团队。因此，布朗-斯坦福团队诞生了，整个团队在 NASA 艾姆斯研究中心的 Rothschild 实验室完成了实际研究。
进展如何？非常顺利。学生们都非常聪明和积极主动，而且多亏了 Skype 和电子邮件，他们能够非常轻松地融入一个团队。大多数人仍然非常亲近，其中两人仍在 Rothschild 的实验室——Jesse Palmer（斯坦福大学）和 André Burnier（布朗大学）。存在明显的困难，包括实验室研究必须在较短的时间内完成以及团队在远程情况下进行磨合，但优点是拥有多种视角、背景和错开的暑假。
NASA 艾姆斯研究中心在合成生物学方面有一项新举措，旨在调查、促进和展示合成生物学在完成 NASA 任务方面的潜力，重点是天体生物学（生命的起源和进化）以及人类对月球、火星和小行星的探索。正如 iGEM 锦标赛上描述的那样，布朗-斯坦福 iGEM 团队确实有机会进行“超凡脱俗”的研究。
你们的项目旨在解决长期太空旅行的许多不同挑战。您如何看待合成生物学在短期和长期内被 NASA 使用？
最初的兴趣在于支持人类太空殖民的合成生物学，因为它有可能大大减少上行质量 [我们需要从地球转移到太空的物质数量]。然而，应用范围从机器人生物采矿任务到地球科学和天体生物学。NASA 的天体生物学计划以“地外生物学”的名义资助了美国在生命起源和极端微生物方面的许多研究，我们坚信这可以成为合成生物学的巨大资产。
特别是对于 PowerCell 项目，合成生物学被用来帮助在太空中提供能源。即使是生物工具也需要能源。PowerCell 背后的想法是为我们发送到太空的任何其他生物工具提供通用的能源——一个“墙壁插座”，任何生物工具都可以在不费力的情况下插入。我们最终希望 PowerCell 提供生命最重要的两种营养物质——碳和氮——但我们认为氮问题在一个夏天解决太过复杂，因此我们只专注于蔗糖分泌。即便如此，我们还是决定在一个可以自然固定氮的平台（Anabaena）上开发我们的系统，以便将来可以开发这条途径。
iGEM 团队面临的一大挑战是夏季时间太短，难以完成一个项目。您的团队还有一个额外的限制，即无法实际在火星上测试您的设计！您如何在地球上设计实验来展示太空工作的“概念验证”？
REGObricks
我们为 REGObricks 设定了三个目标
1) 验证生物水泥化“融合”地外风化层的能力的概念
2) 设计 DNA 序列以表达负责大肠杆菌中生物水泥化功能的脲酶基因簇
3) 测试暴露于地外条件下的生物水泥化过程的耐受性
1) 我们以多种方式测量了巴斯德芽孢杆菌的天然生物水泥化能力，包括电导率测试（尿素水解成二氧化碳和氨导致形成带正电荷的铵离子）、在微型载玻片盖玻片上进行的迷你生物水泥化过程以及全尺寸 20 毫升砂柱。砂柱最具挑战性，因为我们还必须设计和构建流动室。
2) 我们构建了一个编码巴斯德芽孢杆菌脲酶基因的 DNA 片段，并将其转化到大肠杆菌中。随后在脲酶测试板（含有尿素和酚红的琼脂板——一种在碱性 pH 值（如氨）存在下会变成粉红色的 pH 指示剂）上铺板细胞表明，菌落实际上具有脲分解能力。
3) 由于我们是贫穷的大学生，我们没有 NASA 的预算，所以我们用次好的东西来近似。我们与一位熟练的气球飞行员合作，将一个载有我们的巴斯德芽孢杆菌和样品“风化层砖”的平流层气球升空至 100,000 英尺的高度，那里的环境压力（紫外线轰击、温度、压力）与火星条件类似。在取回样品后，我们再次将细菌铺在琼脂板上，并发现它们仍然能够水解尿素，表明它们具有耐受性。由于时间紧迫，我们未能获得 FDA 批准将经过改造的生物体释放到野外，因此无法运送经过转化的大肠杆菌样品。
这是气球过程的短片
PowerCell
这很困难——特别是考虑到仅仅培养我们的鱼腥藻培养物就花了几个星期，而且向鱼腥藻转化的过程非常困难，因为它含有大肠杆菌中不存在的几种防御性限制性酶。
首先是一些背景知识：鱼腥藻是一种丝状蓝细菌。它形成两种细胞类型，分别进行固氮和光合作用，然后将营养物质在链条上下共享。我们希望改造我们的蔗糖分泌装置，使其仅在光合细胞中开启（因为固氮细胞不会产生任何蔗糖，因此我们不希望它们分泌它们拥有的少量蔗糖！）。
为此，我们能够将光合作用特异性启动子连接到我们的蔗糖分泌构建体上，以便分泌仅在光合作用细胞中开启。我们还将 GFP 报告基因连接到该启动子上，以便我们可以验证它是否正常工作（在光合作用细胞中开启，在固氮细胞中关闭——您可以通过形态来区分）。在夏季结束时，我们能够通过观察到在我们的转化菌株中，光合作用细胞会发出荧光，而固氮细胞则不会发出荧光，从而验证了我们的构建体在不同细胞类型中的调控是否正确。下一步是测量蔗糖分泌水平，但当时我们没有足够好的测定方法或足够密集的转化鱼腥藻批次来进行测量。
我最近看到一篇关于宇航员在国际空间站生产威士忌的有趣文章。您如何看待微生物在未来（无论是在太空还是在地球上）参与食品和饮料的生产？
对于任何定居点或延长的探索任务来说，食物都非常重要！由于食物主要是生物性的，因此生物工具非常适合生产食物。微生物的优点在于它们不如植物那么娇贵，而且您只需少数幸存者就可以复活整个菌落。
此外，我们在与参与空间站上该过程另一端（水回收）的 NASA 研究人员交谈时发现一件非常有趣的事情是，尿素通常作为副产品被分离出来、储存起来，并且通常在不进一步使用的情况下被处理掉。REGObricks 对尿素的使用实际上会利用这种原本会被废弃的巨大有机废物来源。
你们的项目专注于火星，但您认为您的研究可以为地球技术带来哪些应用？
NASA 的研究在陆地应用方面有着悠久的衍生技术历史。REGOBricks 在地球上具有很大的应用潜力。对传统水泥制造的环境后果进行一些研究会发现一些令人沮丧的消息。最常用的普通硅酸盐水泥 (OPC) 是通过将碳酸钙 (CaCO3) 加热到极高温度 (1400°C) 来产生 CaO，并释放 CO2 而产生的。将 CaO 与其他磨碎的材料：粘土、石膏混合，以产生 OPC 粉末。
总体而言，水泥生产基础设施排放的二氧化碳占人为二氧化碳排放总量的 5%，其中一半来自碳酸钙的分解，另一半来自产生高温所需的燃料燃烧。水泥行业每生产 1000 公斤水泥，就会排放近 900 公斤的二氧化碳。
考虑到宏观经济趋势——全球化 + 城市化意味着发展中国家对混凝土的需求将不断增加，以创建工业和民用基础设施。如果它们在水泥生产方面效仿发达国家的做法，地球上的气候条件将会遭受一些恶劣的后果。另一方面，如果国际监管机构通过法律限制二氧化碳的产生，发展中国家在发展速度方面可能会进一步受到阻碍。
生物水泥化技术允许创建相当坚固的基础设施（澳大利亚默多克大学的研究人员表明，连续 7 天的水泥化过程可以创建一个能够承受 30 兆帕压力的柱体，相当于石灰岩），同时绕过了传统的准入壁垒。唯一的挑战是该过程会产生铵离子，但肥料公司对此表示积极关注，希望能够收集和回收利用这些铵。
对于 PowerCell 项目，该技术在地球环境下同样适用，甚至更适用。我个人的梦想是，每个人都可以在自己的后院拥有一个生物反应器，可以生产有用的东西，并且完全依靠空气和阳光运行！这将彻底改变制造业——不再需要从遥远的地方运输材料——只需自己制造即可！这将是一个更加可持续/自给自足的社会。
您认为在工程改造微生物用于太空旅行方面，在技术可行性以及您工作的“人类实践”方面，最大的挑战和担忧是什么？
技术可行性方面存在遗传稳定性和长期储存等常见问题，但还有在太空中储存以及潜在的周期性辐射暴露、低重力（途中微重力、火星上的三分之一地球重力）和寒冷环境等额外问题。Jesse Palmer 目前正在努力解决其中一些问题，2012 年的团队也可能会从不同的角度着手解决这些问题。就“人类实践”而言，问题变成了行星保护。美国和《外层空间条约》的其他签署国都非常关注这个问题，因此美国国家航空航天局（NASA）设立了行星保护官员，目前由 Cassie Conley 博士担任。担忧的重点不在于伤害宇航员，而在于当火星上可能存在我们将会破坏或无法识别的本土生物时，污染火星（正向污染），或者带回来自火星或在旅途中发生改变的生物（反向污染）。
此外，太空探索是危险的！你需要非常、非常可靠的工具。生物学（包括生物工具）以其自主性而闻名。当你想让你的工具在你想的时候执行你想要的操作时，可能很难控制它们。毕竟，大肠杆菌 并不真正关心太空探索 :(
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