科学家们期待合成生物学和3D打印在太空中获得生命支持

随着美国宇航局准备将人类送回月球甚至火星，他们需要弄清楚如何保持这些人的健康和安全，远离资源丰富的地球。

在任务过程中包装他们可能需要的所有东西是不可行的，而像国际空间站(ISS)库存的那些再补给任务将非常昂贵和冗长。

这些宇航员可以打包的是地球独特的可再生资源：细胞。例如，真菌和细菌的细胞可以用合成的DNA重编程以产生特定的材料，如生物塑料。然后可以将这些材料送入三维打印机，制造宇航员在航天飞行中可能需要的东西 - 从硬件和医疗设备到医药和食品。

在“ 生物技术趋势 ”在线发表的一篇评论文章中，来自大学空间研究协会(USRA)，麻省理工学院林肯实验室和美国国家航空航天局的研究人员概述了合成生物学和3D打印可以在深空人类任务中支持生命的方法。但为了使这些想法成为现实，NASA正在寻求帮助。

林肯实验室生物工程系统和技术集团的工作人员彼得·卡尔说：“我们的观点是要求让DIY [自己动手]生物学和创客空间社区参与其中。” DIY生物学社区使公众中的任何人都有兴趣进行生物工程。社区在传统的学术或行业环境之外运作，并通过开放式采购传播知识。许多DIY生物学家团体经营创客空间，为会员提供设备和用品，让他们自己做实验。

“这些独立的，不拘一格的社区一直在非传统环境中生物，并且是快速原型设计和开发有限资源技术的先驱。这里有空间和NASA工作人员的需求，”卡尔说。“但这也要求像我们这样的组织和美国国家航空航天局(NASA)在双向过程中更深入地与他们建立联系，因此有一条将人们的工作带入太空的真正途径。我们刚刚开始。”

3D打印机是创客空间的常见主要产品。使用3-D打印机在ISS上进行的实验证明了它们可用于制造按需物品，例如替换硬件。但是，如果3D打印成为太空中长期任务的可靠工具，那么就会出现一个新问题：需要为船舶提供打印机的原料。

为了满足这一需求，作者设想使用合成生物学来生成定制的生物“墨水”到3D打印，无论在任务过程中可能需要什么。这一过程将为科学家们提供“为未知设计的自主权”，USRA研究员杰西卡·斯奈德说，他负责NASA学术使命服务的合成生物学任务。

活生物体可以将阳光，氮气和水转化为成品。生物工程师可以重新编程这些生物细胞的内在逻辑，以产生目标化合物。编辑这些细胞的构建块可以数字化并以DNA序列的形式发送给空间工作人员，该序列可以合成，组装并插入船上的生物体中。林肯实验室的生物工程师大卫沃尔什说：“这个想法就是我们所谓的'生物比特'转换器。”

以下是如何实施这一愿景的一个例子：假设宇航员面临2007年国际空间站发生的情况 - 太阳能电池板已经撕裂，需要修理带。在地球上，合成生物学家，无论是否为DIY类型，设计和测试遗传程序，指导细菌生产用于3D打印的聚合物原料。(这项工作也可以在太空任务需要之前完成。)制造商社区设计出这些材料的表带。这些遗传指令和3D打印指令以数字方式从地球发送给太空工作人员。工作人员再现遗传程序，细菌复制和合成原材料，用于3D打印表带。在产品生命周期结束时，部件被回收并消化，

“我们拥有数字信息的力量。我们可以设计和计算地球上的所有扭结，只需将指令发送到太空，”沃尔什说。

可以使用相同的原理将DNA插入空间中的生物体中，以制备用于食品或药品的目标化合物，如果直接从地球带来，则会随着时间的推移而降低空间辐射。

通过使用3D打印的微流体装置，宇航员将能够进行这些复杂的生物学实验。这些微小的“芯片实验室”设备通过微通道自动控制流体和流体混合物，并且仅使用痕量化学物质在几秒钟内并行运行数百个生物反应。遗传指令将直接发送到控制这些微流体装置的电子设备，使他们能够精确地遵循数字“配方”来合成DNA分子。

今年早些时候，美国宇航局艾姆斯研究中心的科学家林恩·罗斯柴尔德(Lynn Rothschild)共同撰写了这篇评论文章，他领导的团队在太空进行了第一次合成生物学实验。这些实验旨在测试空间细菌如何利用插入基因组的合成DNA以及细菌产生蛋白质的能力，同时进行旋转以模拟微重力(ISS遇到的宇航员)，月球重力和火星重力水平。实验发生在德国卫星任务Eu：CROPIS(Euglena和太空联合再生有机食品生产)上的PowerCell有效载荷上。

然而，还有很长的路要走，无论是在合成生物学的实验中，还是想出所有可以在空间中使用生物材料进行3D打印的参数。“例如，细菌将需要水并占用空间;它们需要适当的生存环境;它们会产生废物。我们仍然需要将这些想法与现实世界的限制相提并论，”卡尔说。

但现在迫切需要开发这些概念。如果合成生物学和三维打印技术能够及时被证明并在接近地球的任务中实施，从而可以相对快速地发送物资，那么它们可以被用于长期的火星任务。

“灵活的制造技术为目的地几天之外的地球供应链提供了极好的补充，例如国际空间站和可能的月球基础设施。让我们利用这种冗余来建立一个空间制造能力，以进一步推动我们更安全地进入太空，“斯奈德说。现在，自己动手的生物学家和制造商可以通过在开源存储库上发布他们的3D打印产品，微流体设备或合成DNA设计以及测试和编辑已发布的设计来提供帮助。“如果DIY生物社区使用，反复改进并最终批准某项技术，那么该技术的优化程度将超过大多数个人或团队所能提供的，而且不会付出太多努力。与这些社区合作是一项宝贵的资产，” 斯奈德补充道。有兴趣的人也可以看到NASA的百年挑战赛，其中概述了NASA寻求公众帮助解决的问题。

“我们经常听到那位年轻时受NASA启发并在那里工作的工程师。但那些受这些宏伟创意启发的生物人怎么样?他们如何贡献?现在是将他们的想法转变为太空的机会， “卡尔说。“创新有很多机会。”