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研发蓝藻人造叶片系统 构建仿地球生态系统
2019-03-15 20:24  来源:西安新闻网     /  编辑:邴璞

西北工业大学生态与环境保护研究中心合成生物学实验室的研究团队 图片由西工大宣传部提供

探索浩瀚宇宙是全人类的共同梦想。前不久,一部科幻电影《流浪地球》的“爆红”,激起了许多人对太空探索的关注。当前,深空探索面临着一个重要难题——如何在太空中给宇航员营造一个长期稳定的生命保障系统?记者15日获悉,西北工业大学生态与环境保护研究中心合成生物学实验室,研发出可以向细胞外分泌蔗糖的蓝藻,以此打造蓝藻人造叶片系统,可以构建类似地球的生态环境,为解决人类探索太空时的生存难题提供一个崭新的思路。

成功实现蓝藻外源DNA转化技术

蓝藻,是地球上目前已知的唯一能产生氧气的光合自养型微生物,也是地球上最原始的微生物之一。蓝藻具有比植物更加高效的光合作用,是地球上绿色光合植物的祖先,地球富含氧气主要是蓝藻的贡献。蓝藻具有极强的生命力,现在已在深海温泉和莫哈韦沙漠内部的岩石中发现蓝藻的生长。“所以可以利用蓝藻这两大特点,在太空极端环境下把二氧化碳和水还原成人类必需的碳水化合物和氧气。”合成生物学实验室的王文教授介绍,实验室已初步建立了完备、成熟的各种蓝藻培养体系,成功实现了蓝藻的外源DNA转化技术,建立了蓝藻基因编辑体系,为构建蓝藻人造叶片提供了有力的技术支持。

如何将蓝藻细胞产生的蔗糖排出,供人类使用呢?王文教授介绍说,通过对蓝藻进行基因编辑,使蓝藻外源表达来自大肠杆菌的蔗糖转运酶CSCB,成功获得了可以将细胞生产的蔗糖自动排到细胞外的蓝藻。实验发现,随着蓝藻的持续培养,野生型蓝藻基本没有变化,而实验组蓝藻却持续的向细胞外产出蔗糖,细胞外培养溶液里蔗糖浓度累计能达到1.1G/L以上。达到了目前国际上同类工作的最高水平,并有望进一步改造完善,大幅度提高产量。

构建适宜人类生存的生态系统

研究者们关注蓝藻的目的是设计蓝藻人造叶片--一种以培养蓝藻为核心的类似太阳能板的装置。“该装置保护蓝藻不受太空辐射、极限温度、极度干燥等太空环境的伤害,同时可以有效利用太空中的光照和装置里不断循环的含二氧化碳的液体,给蓝藻一个适宜生长繁衍的培养环境。“王文教授进一步介绍说,改造的蓝藻可以不断分泌蔗糖等碳水化合物以及氧气,这些能量物质和氧气随着循环水流被排到装置外收集起来,成为人类需要的食物等能源物质。有了碳水化合物,就可以改造别的工程菌,生产出氨基酸、维生素、能源、药物、各种化工材料等,同时以人造叶片为核心建立一个废物处理循环系统,使废水、废气经过蓝藻处理变成可再利用的生活用水和新鲜空气,从而形成一个完全自产自足的系统。

地球经过亿万年的进化才形成了适宜人类生存的环境,要模仿构建类似地球的复杂的自然界生态系统,是在小尺度上难以保持长时间自主循环运行的。但如果把蓝藻大幅度改造,做成人造叶片,可操作性比构建一个生态系统要容易得多。

基于蓝藻开发的人造叶片装置,在严格意义上不是生态系统,而是人为可控的装置,在未来太空探索上具有方便高效的优越性。因此,这种利用合成生物学,以蓝藻为核心底盘开发的能量生产、废物处理、环境改造等多功能的人造叶片装置,对于我国航天科技和太空探索领域的发展具有重大创新意义和实际价值。

该实验室的蒿飞博士对未来充满期待:“将来我们可以在火星表面建立大量的蓝藻人造叶片装置,改造星球表面的大气层,同时利用蓝藻的微生物特性,对火星表面的土壤进行改造,再结合人造叶片装置在星球表面开发出一片能种植农作物的生产基地,最终借助蓝藻人造叶片把火星改造成适宜人类生存的星球。”(记者 姜泓)

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