Shannon Nangle terminó su doctorado lista para asumir un nuevo desafío y puso su mirada en la investigación para ayudar a hacer posible la colonización de Marte. Pero ella no está investigando sobre combustibles para cohetes o trajes espaciales. Ella está usando biología sintética para mejorar la biofabricación de los recursos necesarios utilizando insumos simples como la luz solar, agua, y CO2.

En 2015, una colaboración entre Pam Silver y el laboratorio de Daniel Nocera mostró que la bacteria Ralstonia eutropha podría usarse junto con la división del agua para crear biomasa y alcoholes fusel. Luego, en 2016, siguieron con la 'hoja biónica 2.0' que utilizó un catalizador más biocompatible para superar la eficiencia de la fotosíntesis natural. Ahora, la tecnología debe expandirse y ampliarse para asumir las muchas aplicaciones potenciales de una tecnología solar para bioproductos eficiente.

Bacterias diseñadas para fabricar bioplásticos

Para conocer el último trabajo para ayudar a sacar la hoja biónica del laboratorio y tal vez algún día a Marte, Me reuní con Shannon y la estudiante de posgrado Marika Ziesack, ambos miembros del laboratorio de Pam Silver, en su espacio de laboratorio de la Escuela de Medicina de Harvard. Vi la configuración de sobremesa para probar Ralstonia eutropha con los catalizadores biocompatibles. Una fuente de energía se conecta a los pequeños electrodos que se encuentran en el compartimiento con las bacterias. A medida que se aplica la electricidad, divide el agua, que como H2O tiene dos hidrógenos y un átomo de oxígeno, en hidrógeno y oxígeno. La bacteria Ralstonia eutropha en este caso, luego puede usar ese hidrógeno junto con dióxido de carbono para producir biomasa como el polímero precursor de bioplástico polihidroxibutirato (PHB).

Ralstonia eutropha también se puede diseñar para producir en exceso ciertos ácidos grasos y enzimas que permiten más biopolímeros que solo PHB. Esa es una de las mejoras en las que están trabajando Shannon y Marika para que se puedan producir y utilizar biopolímeros con diferentes propiedades estructurales como materiales biodegradables aquí en la tierra o como bloques de construcción renovables en Marte.

Se pueden realizar otras mejoras de ingeniería para que las bacterias puedan tolerar tensiones como altas concentraciones de sal que pueden mejorar la conductividad de la solución. Incluso mencionaron la posibilidad de que una bacteria pueda crecer en una mezcla que incluye desechos de orina para permitir un reciclaje de agua más sostenible. Las bacterias que crecen en un laboratorio o en una instalación de producción generalmente necesitan una materia prima de biomasa que puede terminar siendo el gran costo en la producción de bioplásticos. Con la luz del sol agua, y el aire como insumos, es posible evitar las costosas materias primas que normalmente se utilizarían para crear estos bioplásticos.

Mudarse del laboratorio (y tal vez algún día a Marte)

Para abordar realmente aplicaciones como la exploración espacial, la biología sintética deberá demostrar su valía en el campo. Otros han notado que la biología sintética puede ser crucial para una misión a Marte, pero primero tiene que levantarse de una mesa de laboratorio. Es por eso que el equipo de Harvard está trabajando en versiones más portátiles de la hoja biónica para demostrar, con suerte, que podría funcionar fuera del laboratorio utilizando solo recursos que se encuentran fácilmente en la Tierra o en Marte:energía solar, agua, y dióxido de carbono.

Entre los muchos desafíos de la colonización de Marte estaría la necesidad de utilizar los recursos que se encuentran en Marte en lugar de traer todo de la Tierra. Este uso de los recursos que se encuentran en el espacio se suele denominar utilización de recursos in situ, y sería necesario para misiones espaciales a largo plazo o colonización. Hay un conjunto de recursos diferente en el espacio que en la Tierra, pero en los últimos años la NASA ha demostrado que existe agua en Marte con depósitos congelados que alcanzan la cantidad de agua en el Lago Superior. Entonces, si se puede usar energía solar para dividir esa agua, entonces se produciría hidrógeno y solo necesitaría CO2 para producir bioplásticos. Afortunadamente, a pesar de que la atmósfera de Marte es 100 veces menos densa que la de la Tierra, El 96% está compuesto por CO2. Entonces, si una tecnología como la biología sintética puede convertir de manera confiable el agua y el CO2 en materiales útiles, sería ideal para las condiciones en Marte.

Luego, una vez que las bacterias manipuladas pueden convertir los recursos in situ en algo útil como bioplásticos, se puede realizar un procesamiento adicional para fabricar las herramientas necesarias. Con bioplásticos eso puede significar la impresión 3D de productos que están hechos de manera renovable con materiales biodegradables. Entonces, incluso si esta tecnología nunca llega a Marte, puede encontrar formas de reemplazar algunos de los duros procesos químicos que usamos actualmente con procesos biológicos.

La biología ya ha encontrado una manera de realizar muchos procesos químicos de manera extremadamente eficiente sin altas temperaturas o productos químicos agresivos que se utilizan a menudo en los procesos industriales. A medida que los investigadores aprendan a aprovechar las diversas vías biológicas que ya existen, habrá más oportunidades para diseñar células que puedan reemplazar los reactores químicos. Los modelos más sofisticados incluso podrían conducir a predicciones de exactamente qué vía se debe utilizar para satisfacer las necesidades de su producto final. La posibilidad de aprovechar tantas capacidades que brinda la biología es lo que entusiasma a tantos sobre la biología sintética como tecnología.

Pero por ahora, la hoja biónica y otras prometedoras herramientas de biología sintética tendrán que demostrar cómo pueden escalar y funcionar en condiciones difíciles fuera del laboratorio. Mientras hacen eso, Los investigadores de biología sintética como Shannon nos llevarán hacia grandes objetivos como hacer posible la colonización de Marte.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de PLOS Blogs:blogs.plos.org.