Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource utilization strategy
- 作者
- Nicholas S. Kruyer, Matthew J. Realf, Wenting Sun, Caroline L. Genzale, Pamela Peralta-Yahya
- 杂志
- Nature Communications（2021）
- DOI
- 10.1038/s41467-021-26393-7
- 所属领域
- 合成生物学 / 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决火星任务中从火星表面返回地球所需的火箭推进剂和氧气的原位生产问题，避免从地球运输大量甲烷和液氧，提出利用火星本地CO2、水和阳光通过生物技术生产火星专用推进剂2,3-丁二醇，并同时产生氧气。
研究策略
构建生物技术驱动的原位资源利用（bio-ISRU）工艺：蓝藻（Arthrospira platensis）利用火星CO2和阳光通过光合作用积累糖原，经酶解消化后作为碳源，供工程化大肠杆菌发酵生产2,3-丁二醇；对悬浮培养与生物膜培养两种方式建模，并对蓝藻生产力、酶解效率和发酵产率进行优化，同时考虑材料替代以减轻有效载荷。
研究路线图
核心内容
该研究提出一种生物技术驱动的火星原位资源利用（bio-ISRU）策略，利用火星本地CO₂、水和阳光生产火箭推进剂2,3-丁二醇（2,3-BDO）及氧气。工艺以蓝藻（Arthrospira platensis）光合积累糖原，经酶解糖化后供工程化大肠杆菌发酵合成2,3-BDO，并对悬浮与生物膜培养两种模式进行系统建模和优化。结果表明，2,3-BDO的理论比冲达420秒，生产10吨推进剂需19.6吨液氧；相比化学ISRU，基于现有技术的bio-ISRU功耗降低32%，但有效载荷高2.8倍，同时额外产生44吨氧气。采用生物膜培养可节水90%、降低功耗65%，经材料与工艺优化后，bio-ISRU总功耗降低59%，有效载荷减少13%，并仍能产生20吨过剩氧气。大肠杆菌发酵2,3-BDO滴度达73.8 g/L，产率0.432 g/g葡萄糖。这一方案证明生物原位生产火箭推进剂在技术层面可行，并在有效载荷和能耗上具备优于化学路线的潜力，同时可为火星探索与定居提供额外氧源。
创新点
1）提出以2,3-丁二醇作为火星专用推进剂，利用其含氧基团降低液氧需求；2）综合建模比较生物与化学ISRU，量化水和功率需求；3）采用蓝藻生物膜培养大幅降低水和功率消耗；4）优化后产生过剩氧气支持火星殖民。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arthrospira platensis (Spirulina) | 光合碳固定与糖原积累 | — | Rubisco | 催化 | 蓝藻作为光自养底盘，固定火星CO2并积累糖原，作为大肠杆菌的碳源 |
| Escherichia coli | 2,3-丁二醇生物合成 | — | — | 催化 | 工程化大肠杆菌将葡萄糖转化为2,3-BDO，文献报道滴度73.8 g/L、产率0.432 g/g、生产强度1.17 g/L/h |
| — | 蓝藻生物质酶解糖化 | — | 溶菌酶、α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶 | 催化 | 酶解蓝藻生物质释放葡萄糖和营养物质，供大肠杆菌发酵 |
关键发现
- 提出2,3-丁二醇(2,3-BDO)作为火星专用火箭推进剂，理论比冲420 s
- 生产10吨2,3-BDO需19.6吨液氧。基于现有技术的bio-ISRU与化学ISRU（DRA 5.0 O2-only）相比，功耗降低32%，但有效载荷质量高2.8倍，同时产生44吨过剩氧气
- 生物膜培养比悬浮培养节水90%、功耗降低65%、有效载荷降低15%
- 优化后bio-ISRU功耗降低59%，有效载荷质量降低13%，仍产生20吨过剩氧气。E. coli 2,3-BDO滴度73.8 g/L，产率0.432 g/g葡萄糖，生产强度1.17 g/L/h。
研究结论
研究表明，利用生物技术原位生产火星火箭推进剂在技术上是可行的，通过生物膜培养和生物及材料优化，bio-ISRU在有效载荷和功耗上可优于化学ISRU，同时产生额外氧气支持火星探索和殖民。