本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
想象一下，一群富有冒險精神的夥伴出發前往廣闊的邊疆，探索一片荒涼、狂野的土地。他們必須只攜帶維持生存的最重要物品。他們決定攜帶的每一盎司重量都意味著他們必須運輸的又一盎司重量。這聽起來像是一次極端的揹包旅行，但我實際上說的是未來前往火星表面的任務。
我們認為地球上所有支援人類生命的事物都是理所當然的——呼吸的空氣、飲用的水以及土壤中允許我們種植食物的養分。然而，在火星上，宇航員將需要攜帶自己的生命支援系統，而運輸成本可能高得令人望而卻步。如果沒有一種輕便靈活的技術，能夠利用有限的資源製造各種產品，第一批火星探險者將無法在旅程中生存下來。
通常，微生物被認為是太空任務的威脅，因為它們可能引起疾病。但非致病性微生物實際上可能是前往火星的解決方案的一部分。微生物可以將各種各樣的原材料轉化為大量必需產品。利用工程原理，合成生物學可以被用來將微生物變成微小的可程式設計工廠。
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當我於2012年加入克萊姆森大學化學與生物分子工程系時，我開始研究酵母作為製造化學品的方法。我的研究小組研究一種名為解脂耶羅威亞酵母的酵母，它可以有效地將各種低價值廢物流轉化為甘油三酯形式的脂肪酸。利用基因工程，可以新增來自其他生物體的基因，以生產脂肪酸衍生物，例如生物燃料、粘合劑前體和營養保健品。
我的學生和我開始思考哪裡有大量廢物可用；廢物的儲存會在哪裡構成重大問題；以及哪裡會短缺酵母衍生產品。事實證明，毫不奇怪，人類廢物既成問題又不可避免：它產生的廢物超過典型任務產生廢物的一半。這最明顯地包括尿液和糞便。但也包括乘員呼吸、排汗和衛生產生二氧化碳和水；食物垃圾、包裝垃圾甚至死皮細胞。這聽起來很噁心，但我們想知道是否可以對解脂耶羅威亞酵母進行工程改造，使其能夠利用這些材料製造對任務至關重要的脂肪酸衍生產品。
我們使用合成生物學將藻類和植物的基因“剪下和貼上”到我們的酵母中。這使它們能夠產生omega-3脂肪酸，如二十碳五烯酸 (EPA)，這是一種魚油的生物活性成分，已被證明可以預防宇航員的骨密度流失。在一個單獨的菌株中，我們插入了一個來自細菌的基因，該基因將脂肪酸轉化為稱為聚羥基脂肪酸酯 (PHA) 的聚酯。透過工程改造脂肪酸代謝途徑，我們可以調整各個 PHA 單元的性質，從而製造出效能與其應用相匹配的塑膠。這對於火星任務可能很重要，它可以作為一種製造 3D 列印零件或破損或丟失的工具所需的聚合物的方法。
微生物需要進食，而我們接下來的挑戰是如何餵養它們。作為碳源，我們選擇了二氧化碳，乘員每天產生超過一公斤的二氧化碳。二氧化碳在火星上也大量存在，佔大氣層的 97% 以上。由於我們的酵母不直接消耗二氧化碳，我們使用一種快速生長的藍藻，將二氧化碳轉化為糖和細胞生物質，供我們的酵母使用。
酵母生長所需的另一個主要元素是氮，它以尿素的形式存在於人類尿液中。在最近發表於應用微生物學和生物技術雜誌上的一篇文章中，我們報道了解脂耶羅威亞酵母對尿素的有效利用。這不足為奇：這種酵母具有與那些定殖於人類泌尿道並食用尿素的微生物相似的基因。
雖然微生物不是唯一的解決方案，但應繼續開發它們以用於未來的火星任務。隨著我們越來越擅長設計微生物來製造特定產品，滿足前往火星的先驅者的需求可能會變得像在地球上揹包旅行一樣容易，但我們仍然有很長的路要走。
作者是線上課程分享你的科學：為雜誌、報紙等撰寫部落格的畢業生，該課程由《大眾科學》和石溪大學艾倫·阿爾達傳播科學中心提供，並由卡夫利基金會贊助。