Shannon Nangle ha terminato il suo dottorato di ricerca pronta ad affrontare una nuova sfida e ha messo gli occhi sulla ricerca per rendere possibile la colonizzazione di Marte. Ma non sta portando avanti ricerche sui combustibili per missili o sulle tute spaziali. Sta usando la biologia sintetica per migliorare la bioproduzione delle risorse necessarie usando semplici input come la luce solare, acqua, e CO2.

Nel 2015, una collaborazione tra Pam Silver e il laboratorio di Daniel Nocera ha mostrato che il batterio Ralstonia eutropha potrebbe essere utilizzato insieme alla scissione dell'acqua per creare biomassa e alcoli fusiformi. Poi nel 2016 hanno seguito "bionic leaf 2.0" che utilizzava un catalizzatore più biocompatibile per battere l'efficienza della fotosintesi naturale. Ora, la tecnologia deve essere espansa e scalata per affrontare le numerose potenziali applicazioni di una tecnologia efficiente da solare a bioprodotto.

Batteri ingegnerizzati per produrre bioplastica

Per scoprire l'ultimo lavoro per aiutare a spostare la foglia bionica fuori dal laboratorio e forse un giorno su Marte, Ho incontrato Shannon e la studentessa Marika Ziesack, entrambi i membri del laboratorio di Pam Silver, nel loro spazio di laboratorio della Harvard Medical School. Ho visto la configurazione da banco per testare la Ralstonia eutropha con i catalizzatori biocompatibili. Una fonte di alimentazione si collega ai piccoli elettrodi che si trovano nel vano con i batteri. Quando l'elettricità viene applicata, divide l'acqua, che come H2O ha due idrogeni e un atomo di ossigeno, in idrogeno e ossigeno. Il batterio, Ralstonia eutropha in questo caso, può quindi utilizzare quell'idrogeno insieme all'anidride carbonica per produrre biomassa come il polimero precursore della bioplastica poliidrossibutirrato (PHB).

Ralstonia eutropha può anche essere progettato per produrre in eccesso determinati acidi grassi ed enzimi che consentono più biopolimeri rispetto al solo PHB. Questo è uno dei miglioramenti su cui Shannon e Marika stanno lavorando in modo che i biopolimeri con diverse proprietà strutturali possano essere prodotti e utilizzati come materiali biodegradabili qui sulla terra o come mattoni rinnovabili su Marte.

È possibile apportare altri miglioramenti ingegneristici in modo che i batteri possano tollerare stress come alte concentrazioni di sale che possono migliorare la conduttività della soluzione. Hanno anche menzionato la possibilità di un batterio che può crescere in una miscela che include i rifiuti di urina per consentire un riciclaggio dell'acqua più sostenibile. I batteri coltivati ​​in un laboratorio o in un impianto di produzione di solito hanno bisogno di una materia prima di biomassa che può finire per essere il grande costo nella produzione di bioplastica. Con la luce del sole, acqua, e aria come input è possibile bypassare le costose materie prime che verrebbero normalmente utilizzate per creare queste bioplastiche.

Uscire dal laboratorio (e forse un giorno su Marte)

Per affrontare veramente applicazioni come l'esplorazione dello spazio, la biologia sintetica dovrà dimostrarsi sul campo. Altri hanno notato che la biologia sintetica può essere cruciale per una missione su Marte, ma prima deve scendere da un banco di laboratorio. Ecco perché il team di Harvard sta lavorando su versioni più portatili della foglia bionica per dimostrare, si spera, che potrebbe funzionare al di fuori del laboratorio utilizzando solo risorse facilmente reperibili sulla Terra o su Marte:energia solare, acqua, e anidride carbonica.

Tra le tante sfide della colonizzazione di Marte ci sarebbe la necessità di utilizzare le risorse trovate su Marte invece di portare tutto dalla Terra. Questo uso delle risorse trovate nello spazio è solitamente indicato come utilizzo delle risorse in situ, e sarebbe necessario per missioni spaziali o colonizzazioni a lungo termine. C'è un diverso insieme di risorse nello spazio che sulla Terra, ma negli ultimi anni la NASA ha dimostrato che l'acqua esiste su Marte con depositi congelati che raggiungono la quantità di acqua del Lago Superiore. Quindi, se l'energia solare può essere utilizzata per dividere quell'acqua, allora si produrrebbe idrogeno e avresti solo bisogno di CO2 per produrre bioplastiche. Fortunatamente, anche se l'atmosfera di Marte è 100 volte meno densa che sulla Terra, Il 96% è costituito da CO2. Quindi, se una tecnologia come la biologia sintetica può trasformare in modo affidabile acqua e CO2 in materiali utili, sarebbe l'ideale per le condizioni su Marte.

Quindi, una volta che i batteri ingegnerizzati possono convertire le risorse in situ in qualcosa di utile come le bioplastiche, è possibile eseguire ulteriori elaborazioni per creare gli strumenti necessari. Con le bioplastiche questo può significare la stampa 3D di prodotti realizzati in modo rinnovabile con materiali biodegradabili. Quindi, anche se questa tecnologia non arriverà mai su Marte, potrebbe trovare il modo di sostituire alcuni dei duri processi chimici che attualmente utilizziamo con processi biologici.

La biologia ha già trovato un modo per eseguire molti processi chimici in modo estremamente efficiente senza calore elevato o sostanze chimiche aggressive spesso utilizzate nei processi industriali. Man mano che i ricercatori impareranno a sfruttare i diversi percorsi biologici già esistenti, ci saranno maggiori opportunità per progettare cellule in grado di sostituire i reattori chimici. Modelli più sofisticati potrebbero persino portare a previsioni su quale percorso utilizzare esattamente per soddisfare le esigenze del prodotto finale. La possibilità di sfruttare così tante capacità offerte dalla biologia è ciò che entusiasma così tanti rispetto alla biologia sintetica come tecnologia.

Ma per ora, la foglia bionica e altri promettenti strumenti di biologia sintetica dovranno dimostrare come possono scalare ed eseguire in condizioni difficili al di fuori del laboratorio. Mentre lo fanno, ricercatori di biologia sintetica come Shannon ci sposteranno verso grandi obiettivi come rendere possibile la colonizzazione di Marte.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di PLOS Blogs:blogs.plos.org.