Developing an alternative medium for in-space biomanufacturing
- 作者
- Hakyung Lee, Jinjin Diao, Yuxin Tian, Richa Guleria, Eunseo Lee, Alexandra Smith, Millie Savage, Daniel Yeh, Luke Roberson, Mark Blenner, Yinjie J. Tang, Tae Seok Moon
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-56088-2
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解决太空生物制造对地球补给原料的依赖，利用原位资源（月壤/火星壤）、PET塑料废物和粪便废物等替代原料生产番茄红素，实现自给自足的生命支持系统。
研究策略
开发替代原料驱动的原位生物制造（AF-ISM）工艺，以Rhodococcus jostii PET strain S6（RPET S6）为底盘，使用月壤/火星壤模拟物作为矿物质来源，厌氧膜生物反应器（AnMBR）处理粪便废物的渗透液提供氮磷，PET水解液（TPA和EG）作为碳源，在模拟微重力条件下生产番茄红素，并进行经济性评估（ESM）。
核心内容
本研究开发了一种面向太空生物制造的替代培养基工艺（AF-ISM），旨在利用原位资源替代地球补给原料生产番茄红素。以Rhodococcus jostii PET strain S6为底盘菌株，分别以PET水解液（TPA和EG）、月壤/火星壤模拟物和厌氧膜生物反应器处理粪便废物的渗透液作为碳源、矿物质及氮磷来源，在模拟微重力条件下进行发酵。结果显示，培养6天的番茄红素产量与地球重力条件下3天的产量相当（95%置信区间-0.09至0.01）；培养后月壤和火星壤中部分硅酸盐矿物信号强度分别下降52%和47%，证实风化层颗粒可直接被微生物利用。在含1.0 g/L火星风化层与0.4倍稀释渗透液的完全替代培养基中，番茄红素产量与常规培养基相当。经济评估表明该工艺显著降低生产成本，减少对地球补给的依赖，为长期太空探索中自给自足的生命支持系统提供了可行方案。
创新点
首次验证可直接利用风化层颗粒作为微生物矿物源；发现风化层与粪便渗透液在支持细胞生长方面具有协同效应；在模拟微重力下番茄红素产量与地球条件相当；AF-ISM大幅降低生产成本，减少对地球补给依赖。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodococcus jostii PET strain S6 (RPET S6) | 番茄红素生物合成途径（MEP途径） | — | DXR (1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶) | 催化 | MEP途径关键酶，利用NADPH和Mg2+/Mn2+作为辅因子，参与IPP和DMAPP前体合成，受金属离子影响可能提高番茄红素产量 |
关键发现
- RPET S6在模拟微重力条件下培养6天，番茄红素产量与地球重力条件（3天）几乎相同（95%置信区间-0.09至0.01）
- AnMBR渗透液中氮约392 mg/L、磷约54 mg/L
- 使用酸浸风化层模拟物时总金属离子浓度为12–17 mg/L，比常规最简培养基（约0.58 mg/L）高19.7–28.3倍
- XRD分析显示培养后月球和火星风化层中(Ca,Na)(Al,Si)4O8含量信号强度分别下降52%和47%
- 细胞生长抑制阈值：月球物理风化层浓度超过1.0 g/L即抑制，而月球化学和火星风化层在4.0 g/L以下无显著抑制
- 风化层颗粒浓度低于5.0 g/L时生长正常，≥10.0 g/L抑制
- 将N和P降至常规水平的0.5倍不影响生长，降至0.1倍则显著缺乏
- 渗透液稀释因子0.2倍可恢复生长，超过0.4倍抑制，加入风化层可缓解渗透液毒性
- 在含1.0 g/L火星风化层和0.4倍渗透液的完全替代培养基中，番茄红素产量与正对照相当。
研究结论
AF-ISM工艺利用原位资源和废物（月壤/火星壤、PET塑料、粪便废物）可持续生产番茄红素，产量与地球条件相当且经济性显著优于常规方法，为长期太空探索和地外定居的自给自足生命支持系统提供了可行方案。