Shannon Nangle a terminé son doctorat prête à relever un nouveau défi et s'est tournée vers la recherche pour aider à rendre possible la colonisation de Mars. Mais elle ne poursuit pas de recherche sur les carburants de fusée ou les combinaisons spatiales. Elle utilise la biologie synthétique pour améliorer la bioproduction des ressources nécessaires en utilisant des intrants simples comme la lumière du soleil, l'eau, et CO2.

En 2015, une collaboration entre Pam Silver et le laboratoire de Daniel Nocera a montré que la bactérie Ralstonia eutropha pouvait être utilisée avec la division de l'eau pour créer de la biomasse et des alcools de fusel. Puis, en 2016, ils ont poursuivi avec la «feuille bionique 2.0» qui utilisait un catalyseur plus biocompatible pour battre l'efficacité de la photosynthèse naturelle. Maintenant, la technologie doit être étendue et étendue pour prendre en charge les nombreuses applications potentielles d'une technologie solaire efficace pour les bioproduits.

Des bactéries modifiées pour fabriquer des bioplastiques

Pour découvrir les derniers travaux visant à aider à déplacer la feuille bionique hors du laboratoire et peut-être un jour vers Mars, J'ai rencontré Shannon et l'étudiante diplômée Marika Ziesack, les deux membres du laboratoire de Pam Silver, dans leur espace de laboratoire de la Harvard Medical School. J'ai vu la configuration de paillasse pour tester Ralstonia eutropha avec les catalyseurs biocompatibles. Une source d'alimentation se connecte aux petites électrodes qui se trouvent dans le compartiment avec les bactéries. Lorsque l'électricité est appliquée, elle divise l'eau - qui, en tant que H2O, contient deux hydrogènes et un atome d'oxygène - en hydrogène et oxygène. La bactérie, Ralstonia eutropha dans ce cas, peut ensuite utiliser cet hydrogène avec du dioxyde de carbone pour produire de la biomasse comme le polymère précurseur bioplastique polyhydroxybutyrate (PHB).

Ralstonia eutropha peut également être conçu pour surproduire certains acides gras et enzymes qui permettent plus de biopolymères que le PHB. C'est l'une des améliorations sur lesquelles Shannon et Marika travaillent afin que des biopolymères avec différentes propriétés structurelles puissent être produits et utilisés comme matériaux biodégradables ici sur Terre ou comme blocs de construction renouvelables sur Mars.

D'autres améliorations techniques peuvent être apportées afin que les bactéries puissent tolérer des contraintes telles que des concentrations élevées de sel qui peuvent améliorer la conductivité de la solution. Ils ont même évoqué la possibilité d'une bactérie pouvant se développer dans un mélange comprenant des déchets d'urine pour permettre un recyclage plus durable de l'eau. Les bactéries cultivées dans un laboratoire ou une installation de production ont généralement besoin d'une matière première de biomasse qui peut finir par représenter le coût le plus élevé de la production de bioplastique. Avec la lumière du soleil, l'eau, et de l'air comme intrants, il est possible de contourner les matières premières coûteuses qui seraient normalement utilisées pour créer ces bioplastiques.

Sortir du labo (et peut-être un jour sur Mars)

Pour vraiment s'attaquer à des applications comme l'exploration spatiale, la biologie synthétique devra faire ses preuves sur le terrain. D'autres ont noté que la biologie synthétique peut être cruciale pour une mission sur Mars, mais qu'elle doit d'abord sortir d'une paillasse de laboratoire. C'est pourquoi l'équipe de Harvard travaille sur des versions plus portables de la feuille bionique pour montrer, espérons-le, qu'elle pourrait fonctionner en dehors du laboratoire en utilisant uniquement des ressources facilement trouvées sur Terre ou sur Mars :l'énergie solaire, l'eau, et le dioxyde de carbone.

Parmi les nombreux défis de la colonisation de Mars, il y aurait la nécessité d'utiliser les ressources trouvées sur Mars au lieu de tout ramener de la Terre. Cette utilisation des ressources trouvées dans l'espace est généralement appelée utilisation des ressources in situ, et il serait nécessaire pour les missions spatiales à long terme ou la colonisation. Il y a un ensemble différent de ressources dans l'espace que sur Terre, mais au cours des dernières années, la NASA a montré qu'il existe de l'eau sur Mars avec des dépôts gelés atteignant la quantité d'eau du lac Supérieur. Ensuite, si l'énergie solaire peut être utilisée pour diviser cette eau, de l'hydrogène serait produit et vous n'auriez besoin que de CO2 pour produire des bioplastiques. Heureusement, même si l'atmosphère de Mars est 100 fois moins dense que sur Terre, 96% de celui-ci est composé de CO2. Donc, si une technologie comme la biologie synthétique peut transformer de manière fiable l'eau et le CO2 en matériaux utiles, ce serait idéal pour les conditions sur Mars.

Ensuite, une fois que les bactéries modifiées peuvent convertir les ressources in situ en quelque chose d'utile comme les bioplastiques, un traitement supplémentaire peut être effectué pour fabriquer les outils nécessaires. Avec les bioplastiques, cela peut signifier l'impression 3D de produits fabriqués de manière renouvelable avec des matériaux biodégradables. Ainsi, même si cette technologie ne parvient jamais sur Mars, elle pourrait trouver des moyens de remplacer certains des processus chimiques agressifs que nous utilisons actuellement par des processus biologiques.

La biologie a déjà trouvé un moyen de réaliser de nombreux processus chimiques de manière extrêmement efficace sans chaleur élevée ni produits chimiques agressifs souvent utilisés dans les processus industriels. Au fur et à mesure que les chercheurs apprendront à exploiter les diverses voies biologiques qui existent déjà, il y aura plus d'opportunités pour concevoir des cellules qui peuvent remplacer les réacteurs chimiques. Des modèles plus sophistiqués pourraient même conduire à des prédictions sur la voie exacte à utiliser pour répondre aux besoins de votre produit final. La possibilité de tirer parti de tant de capacités offertes par la biologie est ce qui excite tant de gens par rapport à la biologie synthétique en tant que technologie.

Mais pour l'instant, la feuille bionique et d'autres outils de biologie synthétique prometteurs devront prouver comment ils peuvent évoluer et fonctionner dans des conditions difficiles en dehors du laboratoire. Comme ils font ça, des chercheurs en biologie synthétique comme Shannon nous feront avancer vers de grands objectifs comme rendre possible la colonisation de Mars.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de PLOS Blogs :blogs.plos.org.