艺术家对火星冰屋概念渲染图。（图片来源: NASA, Clouds AO and SEArch Wikimedia）
试想一群富有冒险精神的同伴开启一场户外荒野探险。他们仅能携带他们生存最重要的必须品。他们每携带一盎司的物品，就要负担两倍的重量。这听起来像是一场极端的背包旅行，但实际上是在描绘未来在火星表面的计划。
我们理所当然地认为我们拥有地球上所有支持人类生活的资源，包括呼吸的空气、饮用水和土壤中的营养物质，这些让我们能够种植食物。然而，在火星上，宇航员需要带上他们自己的生命维持系统，这些设备的运输成本极高。如果没有一种轻量、灵活的技术，能够利用有限的资源生产各种产品，那么第一批火星探险家将无法活下去。
通常来说，人们认为微生物是太空任务的威胁，因为它们可能导致疾病。但实际上非病原微生物可能是火星解决方案的一部分。微生物可将各种原料转化为大量必需品。利用工程原理，合成生物学可以把微生物变成微型可编程工厂。
2012年，我加入克莱姆森大学化学与生物分子工程系，开始研究酵母制造化学品的方法。我的研究小组研究了一种叫做解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）的酵母，它可以从各种各样的低价值废液里，高效地制造甘油三酯形式的脂肪酸。我们利用基因工程，可以加入来自其他生物体的基因，用以生产脂肪酸衍生物，像是生物燃料、粘合剂和营养保健品的前体。
我和我的学生们开始思考哪里的废物充足、哪里的废物储存是个问题、哪里的酵母衍生产品会供不应求。事实证明，人类的排泄物是个不可避免的问题：它在正产的任务中，产生了超过一半的废物。最明显的包括尿液和粪便，还包括宇航员的呼吸、排汗和清洁产生的二氧化碳和水；还有食物垃圾，包装垃圾，甚至死掉角质细胞。这听起来很恶心，但我们想知道我们是否可以设计一种解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica），让它们从这些材料中生产对火星计划有用的脂肪酸衍生产品？
我们使用合成生物学，将藻类和植物中的基因“切割并粘贴”到我们的酵母中。这使它们能够制造如二十碳五烯酸（EPA）的ω-3脂肪酸，EPA是鱼油中的一种生物活性成分，可以防止宇航员的骨密度损失。在另一个菌群中，我们插入细菌中的一个基因，将脂肪酸转化为称为聚羟基脂肪酸（PHA）的聚酯。通过设计脂肪酸代谢途径，我们可以调整各个聚羟基脂肪酸（PHA）单体的性质，从而使塑料具有与其应用相匹配的性能。这对于火星计划来说可能很重要，因为这种物质可以3D打印损坏或丢失了的部件或工具。
微生物也需要吃东西，我们的下一个挑战是如何喂养它们。我们选择二氧化碳作为碳源，宇航员们以每天超过一公斤的速度生产这些气体。火星上也有大量二氧化碳，占大气成分的97％以上。由于酵母不直接消耗二氧化碳，我们使用生长迅速的蓝细菌，将二氧化碳转化为酵母需要的糖和细胞生物质。
酵母生长所需的另一个主要元素是氮，可以从人尿中以尿素形式获得。在最新出版的《Applied Microbiology and Biotechnology》中，我们报道了解脂耶氏酵母可以有效利用尿素。其实，这并不奇怪：这种酵母的基因类似于人类尿路中的细菌，以尿素为食。
虽然微生物不是唯一的解决方案，但为了未来的火星计划，应该继续研究它们。随着我们能更好地设计微生物来定制产品，满足火星先驱们需要可能会像满足地球上背包旅行一样容易，但我们还有很长的路要走。
作者：Mark Blenner
翻译：崔格瑞
审校：马晓彤
引进来源：科学美国人
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