«Синтетическая биология не только обещает сделать путешествие во внеземные локации более практичным и терпимым, но и может быть трансформирующим, когда исследователи прибудут к месту назначения», — говорит Адам Аркин, директор отдела физических биологических наук (PBD) лаборатории Беркли и ведущий специалист. по синтетической и системной биологии.«Во время полета возможность увеличить потребность в топливе и другой энергии, предоставить небольшое количество необходимых материалов, а также возобновляемую, питательную и модифицированную пищу, а также лекарства по запросу может снизить затраты и улучшить здоровье и благополучие космонавтов», — сказал Аркин. говорит. «На внеземной основе синтетическая биология могла бы еще более эффективно использовать каталитическую активность различных организмов».
Аркин является старшим автором статьи в Journal of the Royal Society Interface, в которой сообщается о технико-экономическом анализе, демонстрирующем «значительную полезность использования нетрадиционных биологических методов для использования доступных летучих веществ и ненужных ресурсов в пилотируемых длительных космических полетах. . " Документ озаглавлен «К синтетическим биологическим подходам к использованию ресурсов в космических полетах». Ведущий автор и автор-корреспондент — Амор Менезес, научный сотрудник исследовательской группы Аркина в Калифорнийском университете (Калифорнийский университет) в Беркли. Другими соавторами являются Джон Камберс и Джон Хоган из Исследовательского центра Эймса НАСА.Одна из самых больших проблем пилотируемых космических полетов — это расходы.
Эмпирическое правило НАСА состоит в том, что каждая запускаемая единица массы полезной нагрузки требует поддержки дополнительных 99 единиц массы, причем «поддержка» охватывает все, от топлива до кислорода до продуктов питания и лекарств для астронавтов и т. Д. Технологии, которые сейчас используются или разрабатываются для обеспечения этой поддержки, являются абиотическими, то есть небиологическими. Аркин, Менезес и их сотрудники показали, что предоставление этой поддержки с помощью технологий, основанных на существующих биологических процессах, является более чем жизнеспособной альтернативой.«Поскольку синтетическая биология позволяет нам разрабатывать биологические процессы в наших интересах, мы обнаружили в нашем анализе, что технологии при использовании общих пространственных показателей, таких как масса, мощность и объем, могут обеспечить значительную экономию затрат, особенно в массе», — сказал Менезес. говорит.
В своем исследовании авторы рассмотрели четыре целевых области: производство топлива, производство продуктов питания, синтез биополимеров и фармацевтическое производство. Они показали, что для 916-дневной пилотируемой миссии на Марс использование возможностей микробного биопроизводства может снизить массу производства топлива на 56 процентов, массу пищевых продуктов на 38 процентов и массу отправляемой продукции для 3D-печати. среда обитания для шести на целых 85 процентов.
Кроме того, микробы также могут полностью пополнить просроченные или облученные запасы фармацевтических препаратов, что обеспечит независимость от беспилотных космических аппаратов с пополнением запасов, на доставку которых уходит до 210 дней.«Космос всегда был прекрасным испытанием того, могут ли технологии соответствовать строгим инженерным стандартам как по эффективности, так и по безопасности», — говорит Аркин. «НАСА десятилетиями работало над тем, чтобы спецификации, которым должны соответствовать новые технологии, были строгими и реалистичными, что позволило нам провести предварительный технико-экономический анализ».Большим преимуществом биологического производства перед производством абиотических является замечательная способность природных и искусственно созданных микробов превращать очень простые исходные субстраты, такие как углекислый газ, водная биомасса или минералы, в материалы, которые понадобятся космонавтам в длительных полетах.
Эта возможность должна оказаться особенно полезной для будущих внеземных поселений.«Минеральный и углеродный состав других небесных тел отличается от основной части Земли, но Земля разнообразна со многими экстремальными условиями, которые имеют некоторое отношение к тем, которые могут быть обнаружены на возможных базах на Луне или Марсе», — говорит Аркин. «Микробы можно использовать для значительного увеличения количества материалов, доступных на посадочной площадке, для биопроизводства продуктов питания и фармацевтических препаратов и, возможно, даже для изменения и обогащения местных почв для ведения сельского хозяйства в контролируемой среде».
Авторы признают, что большая часть их анализа является спекулятивной и что их расчеты показывают ряд серьезных проблем, мешающих сделать биопроизводство возможным дополнением и заменой абиотических технологий. Однако они утверждают, что инвестиции в преодоление этих препятствий могут дать огромную потенциальную выгоду для будущих космических программ.
«Нам предстоит пройти долгий путь, поскольку экспериментальная работа по проверке концепции в синтетической биологии для космических приложений только начинается, но и до длительных пилотируемых полетов тоже далеко», — говорит Менезес. «Абиотические технологии разрабатывались за много-много десятилетий, прежде чем они были успешно использованы в космосе, поэтому, конечно, биологические технологии должны наверстать упущенное. технологии, возможно, уже превосходят свои абиотические аналоги ".Это исследование было поддержано Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Калифорнийским университетом в Санта-Крус.