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在過去的幾個月裡，我一直在思考和撰寫關於太空殖民地的一些文章，最近我有幸與一群 iGEM 學生進行了交談，他們去年夏天設計了合成微生物，以幫助宇航員在火星上建立社群。 布朗-斯坦福聯合團隊與 NASA 科學家合作開展了一個雙管齊下的專案。他們的第一個專案，REGObricks，利用細菌將尿素分解成可用於形成晶體的化學物質，這些晶體可以將火星沙粘合成堅固的建築材料。第二個專案是 PowerCell——工程改造光合細菌，可以將陽光轉化為為其他生物供能所需的化學能（如糖）。他們的短片預告片是對他們團隊的精彩介紹
該團隊在夏季努力工作，設計並構建了概念驗證系統，並最終入圍美洲區域競賽，並在麻省理工學院舉行的國際聯歡會上獲得了最佳新應用獎。以下是我與團隊及其顧問 Lynn Rothschild 進行的電子郵件對話的略微壓縮和編輯版本。
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你們的團隊彙集了來自不同機構的學生和教職員工，您能簡單介紹一下團隊是如何成立的，以及作為一個多機構（以及可能的多行星！）研究專案是什麼樣的嗎？
布朗大學 2011 年的 iGEM 團隊對開展 NASA 相關專案以及可能在去年 8 月在 NASA 工作感到興奮。當發現之前指導布朗大學 iGEM 團隊的 Wessel 教授決定不再繼續時，Lynn Rothschild 博士利用她在布朗大學擔任（兼職）教授的職位，成為教職顧問。由於斯坦福大學（另一所擁有驕傲的 iGEM 傳統的大學）也沒有派出團隊，並且她在斯坦福大學擔任（諮詢）教授時也在斯坦福大學教授天體生物學和太空探索課程，她邀請了幾位斯坦福大學的學生加入該團隊。因此，布朗-斯坦福團隊誕生了，整個團隊在 NASA 艾姆斯研究中心的 Rothschild 實驗室完成了實際研究。
進展如何？非常順利。學生們都非常聰明和積極主動，而且多虧了 Skype 和電子郵件，他們能夠非常輕鬆地融入一個團隊。大多數人仍然非常親近，其中兩人仍在 Rothschild 的實驗室——Jesse Palmer（斯坦福大學）和 André Burnier（布朗大學）。存在明顯的困難，包括實驗室研究必須在較短的時間內完成以及團隊在遠端情況下進行磨合，但優點是擁有多種視角、背景和錯開的暑假。
NASA 艾姆斯研究中心在合成生物學方面有一項新舉措，旨在調查、促進和展示合成生物學在完成 NASA 任務方面的潛力，重點是天體生物學（生命的起源和進化）以及人類對月球、火星和小行星的探索。正如 iGEM 錦標賽上描述的那樣，布朗-斯坦福 iGEM 團隊確實有機會進行“超凡脫俗”的研究。
你們的專案旨在解決長期太空旅行的許多不同挑戰。您如何看待合成生物學在短期和長期內被 NASA 使用？
最初的興趣在於支援人類太空殖民的合成生物學，因為它有可能大大減少上行質量 [我們需要從地球轉移到太空的物質數量]。然而，應用範圍從機器人生物採礦任務到地球科學和天體生物學。NASA 的天體生物學計劃以“地外生物學”的名義資助了美國在生命起源和極端微生物方面的許多研究，我們堅信這可以成為合成生物學的巨大資產。
特別是對於 PowerCell 專案，合成生物學被用來幫助在太空中提供能源。即使是生物工具也需要能源。PowerCell 背後的想法是為我們傳送到太空的任何其他生物工具提供通用的能源——一個“牆壁插座”，任何生物工具都可以在不費力的情況下插入。我們最終希望 PowerCell 提供生命最重要的兩種營養物質——碳和氮——但我們認為氮問題在一個夏天解決太過複雜，因此我們只專注於蔗糖分泌。即便如此，我們還是決定在一個可以自然固定氮的平臺（Anabaena）上開發我們的系統，以便將來可以開發這條途徑。
iGEM 團隊面臨的一大挑戰是夏季時間太短，難以完成一個專案。您的團隊還有一個額外的限制，即無法實際在火星上測試您的設計！您如何在地球上設計實驗來展示太空工作的“概念驗證”？
REGObricks
我們為 REGObricks 設定了三個目標
1) 驗證生物水泥化“融合”地外風化層的能力的概念
2) 設計 DNA 序列以表達負責大腸桿菌中生物水泥化功能的脲酶基因簇
3) 測試暴露於地外條件下的生物水泥化過程的耐受性
1) 我們以多種方式測量了巴斯德芽孢桿菌的天然生物水泥化能力，包括電導率測試（尿素水解成二氧化碳和氨導致形成帶正電荷的銨離子）、在微型載玻片蓋玻片上進行的迷你生物水泥化過程以及全尺寸 20 毫升砂柱。砂柱最具挑戰性，因為我們還必須設計和構建流動室。
2) 我們構建了一個編碼巴斯德芽孢桿菌脲酶基因的 DNA 片段，並將其轉化到大腸桿菌中。隨後在脲酶測試板（含有尿素和酚紅的瓊脂板——一種在鹼性 pH 值（如氨）存在下會變成粉紅色的 pH 指示劑）上鋪板細胞表明，菌落實際上具有脲分解能力。
3) 由於我們是貧窮的大學生，我們沒有 NASA 的預算，所以我們用次好的東西來近似。我們與一位熟練的氣球飛行員合作，將一個載有我們的巴斯德芽孢桿菌和樣品“風化層磚”的平流層氣球升空至 100,000 英尺的高度，那裡的環境壓力（紫外線轟擊、溫度、壓力）與火星條件類似。在取回樣品後，我們再次將細菌鋪在瓊脂板上，並發現它們仍然能夠水解尿素，表明它們具有耐受性。由於時間緊迫，我們未能獲得 FDA 批准將經過改造的生物體釋放到野外，因此無法運送經過轉化的大腸桿菌樣品。
這是氣球過程的短片
PowerCell
這很困難——特別是考慮到僅僅培養我們的魚腥藻培養物就花了幾個星期，而且向魚腥藻轉化的過程非常困難，因為它含有大腸桿菌中不存在的幾種防禦性限制性酶。
首先是一些背景知識：魚腥藻是一種絲狀藍細菌。它形成兩種細胞型別，分別進行固氮和光合作用，然後將營養物質在鏈條上下共享。我們希望改造我們的蔗糖分泌裝置，使其僅在光合細胞中開啟（因為固氮細胞不會產生任何蔗糖，因此我們不希望它們分泌它們擁有的少量蔗糖！）。
為此，我們能夠將光合作用特異性啟動子連線到我們的蔗糖分泌構建體上，以便分泌僅在光合作用細胞中開啟。我們還將 GFP 報告基因連線到該啟動子上，以便我們可以驗證它是否正常工作（在光合作用細胞中開啟，在固氮細胞中關閉——您可以透過形態來區分）。在夏季結束時，我們能夠透過觀察到在我們的轉化菌株中，光合作用細胞會發出熒光，而固氮細胞則不會發出熒光，從而驗證了我們的構建體在不同細胞型別中的調控是否正確。下一步是測量蔗糖分泌水平，但當時我們沒有足夠好的測定方法或足夠密集的轉化魚腥藻批次來進行測量。
我最近看到一篇關於宇航員在國際空間站生產威士忌的有趣文章。您如何看待微生物在未來（無論是在太空還是在地球上）參與食品和飲料的生產？
對於任何定居點或延長的探索任務來說，食物都非常重要！由於食物主要是生物性的，因此生物工具非常適合生產食物。微生物的優點在於它們不如植物那麼嬌貴，而且您只需少數倖存者就可以復活整個菌落。
此外，我們在與參與空間站上該過程另一端（水回收）的 NASA 研究人員交談時發現一件非常有趣的事情是，尿素通常作為副產品被分離出來、儲存起來，並且通常在不進一步使用的情況下被處理掉。REGObricks 對尿素的使用實際上會利用這種原本會被廢棄的巨大有機廢物來源。
你們的專案專注於火星，但您認為您的研究可以為地球技術帶來哪些應用？
NASA 的研究在陸地應用方面有著悠久的衍生技術歷史。REGOBricks 在地球上具有很大的應用潛力。對傳統水泥製造的環境後果進行一些研究會發現一些令人沮喪的訊息。最常用的普通矽酸鹽水泥 (OPC) 是透過將碳酸鈣 (CaCO3) 加熱到極高溫度 (1400°C) 來產生 CaO，並釋放 CO2 而產生的。將 CaO 與其他磨碎的材料：粘土、石膏混合，以產生 OPC 粉末。
總體而言，水泥生產基礎設施排放的二氧化碳占人為二氧化碳排放總量的 5%，其中一半來自碳酸鈣的分解，另一半來自產生高溫所需的燃料燃燒。水泥行業每生產 1000 公斤水泥，就會排放近 900 公斤的二氧化碳。
考慮到宏觀經濟趨勢——全球化 + 城市化意味著發展中國家對混凝土的需求將不斷增加，以建立工業和民用基礎設施。如果它們在水泥生產方面效仿發達國家的做法，地球上的氣候條件將會遭受一些惡劣的後果。另一方面，如果國際監管機構透過法律限制二氧化碳的產生，發展中國家在發展速度方面可能會進一步受到阻礙。
生物水泥化技術允許建立相當堅固的基礎設施（澳大利亞默多克大學的研究人員表明，連續 7 天的水泥化過程可以建立一個能夠承受 30 兆帕壓力的柱體，相當於石灰岩），同時繞過了傳統的准入壁壘。唯一的挑戰是該過程會產生銨離子，但肥料公司對此表示積極關注，希望能夠收集和回收利用這些銨。
對於 PowerCell 專案，該技術在地球環境下同樣適用，甚至更適用。我個人的夢想是，每個人都可以在自己的後院擁有一個生物反應器，可以生產有用的東西，並且完全依靠空氣和陽光執行！這將徹底改變製造業——不再需要從遙遠的地方運輸材料——只需自己製造即可！這將是一個更加可持續/自給自足的社會。
您認為在工程改造微生物用於太空旅行方面，在技術可行性以及您工作的“人類實踐”方面，最大的挑戰和擔憂是什麼？
技術可行性方面存在遺傳穩定性和長期儲存等常見問題，但還有在太空中儲存以及潛在的週期性輻射暴露、低重力（途中微重力、火星上的三分之一地球重力）和寒冷環境等額外問題。Jesse Palmer 目前正在努力解決其中一些問題，2012 年的團隊也可能會從不同的角度著手解決這些問題。就“人類實踐”而言，問題變成了行星保護。美國和《外層空間條約》的其他簽署國都非常關注這個問題，因此美國國家航空航天局（NASA）設立了行星保護官員，目前由 Cassie Conley 博士擔任。擔憂的重點不在於傷害宇航員，而在於當火星上可能存在我們將會破壞或無法識別的本土生物時，汙染火星（正向汙染），或者帶回來自火星或在旅途中發生改變的生物（反向汙染）。
此外，太空探索是危險的！你需要非常、非常可靠的工具。生物學（包括生物工具）以其自主性而聞名。當你想讓你的工具在你想的時候執行你想要的操作時，可能很難控制它們。畢竟，大腸桿菌 並不真正關心太空探索 :(
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