واشنطن العاصمة - يبدو التبول على مركبة فضائية مشكلة وليس حلاً. ولكن يومًا ما يمكن أن يصبح بول رواد الفضاء غذاءًا من أجل الهندسة الوراثية خميرة. ويمكن استخدام الأنفاس التي يزفرها المسافرون في الفضاء لمساعدة خلايا الخميرة هذه على العمل مثل المصانع الصغيرة. قد يخرجون المكونات المستخدمة في صناعة البلاستيك. أو يمكن أن تصبح المواد الخام للمكملات الغذائية التي تحافظ على صحة رواد الفضاء. قد يساعد كل منها البشر على البقاء على قيد الحياة في رحلة إلى المريخ أو ما بعده.
تقوم محطة الفضاء الدولية بالفعل بإعادة تدوير البول. أنظمة في المحطة تزيل مركبات النيتروجين والمواد الكيميائية الأخرى. ما ينشأ هو ماء نظيف يشربه رواد الفضاء بعد ذلك. يريد مارك بلينر الآن أن يأخذ نفس النيتروجين من البول ويطعمه إلى الخميرة.
بلينر مهندس كيميائي في جامعة كليمسون بولاية ساوث كارولينا. تحدث عن كيف يمكن أن يصبح البول بلاستيكيًا في الاجتماع الوطني لخريف 2017 للجمعية الكيميائية الأمريكية في واشنطن العاصمة
المصانع الصغيرة
الخميرة نوع من الفطريات وحيدة الخلية. يشتهر أحد أنواع الخميرة بصنع الخبز ومساعدته في تحضير الجعة. لكن هناك أكثر من ألف نوع آخر. الخميرة التي يريد Blenner إرسالها إلى الفضاء تسمى Yarrowia lipolytica (يهر-أوه-وي-آه ليب-أوه-ليت-إيه-كوه). تشبه خلاياه المصانع الصغيرة التي تصنع مواد كيميائية تسمى الدهون. وتشمل هذه الجزيئات الدهنية الأحماض الدهنية والزيوت والشموع. تستخدم الخميرة دهونها لتخزين الطاقة. عندما تحتاج الخميرة إلى تلك الطاقة لاحقًا ، فإنها تقسم المواد الكيميائية إلى قطع أصغر.
لقد تلاعب العلماء بجينات الخميرة. يمكن للتغييرات التي أجروها على شفرتها الجينية أن تقنع هذه الخلايا بإنتاج مواد كيميائية جديدة. يمكن للبشر بعد ذلك استخدام هذه الجزيئات لخلق الأشياء التي يحتاجون إليها.
قبل عامين ، قامت مجموعة بلينر وفريق في جامعة كاليفورنيا ، ريفرسايد بعمل ذلك باستخدام أداة تسمى كريسبر. يمكن لهذه العملية اقتطاع جزء من الحمض النووي واستبدال جزء آخر. إنه مثل قص ولصق المقاطع في كتاب التعليمات الكيميائية للخلية. كتب الباحثون عن هذا العمل في علم الأحياء الاصطناعية ACS في عام 2016.
الشرح:كيف تعمل تقنية كريسبر
بدلاً من الدهون الطبيعية ، هناك بعض السلالات المصممة هندسيًا الخميرة يمكن أن تصنع مكونات تدخل في المواد البلاستيكية المعروفة باسم PHA. هذا اختصار لـ polyhydroxyalkanoates (PAH-lee-hy-DROX-ee-AL-kuh-NO-aytz). تستخدم هذه بالفعل في تغليف المواد الغذائية وبعض الأجهزة الطبية. يمكن استخدام هذه المواد البلاستيكية "كحبر" للطابعات ثلاثية الأبعاد. في مهمة فضائية ، يمكن لهذه الطابعات استخدام PHA من الخميرة لبناء أدوات أو أجزاء لإصلاح المعدات.
الشرح:ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
صمم العلماء سلالات أخرى من الخميرة لضخ أحماض أوميغا 3 الدهنية. هذه هي الجزيئات التي يحتاج الناس إلى تناولها من أجل صحة جيدة للعظام والعين. لكن أوميغا 3 لا تخزن جيدًا لفترات طويلة. بدلاً من تعبئة الحبوب في رحلة طويلة ، يمكن لرواد الفضاء صنع مكملاتهم الغذائية في الفضاء.
حتى الآن ، أجرى الباحثون تجاربهم في المختبر. يقول بلينر ، "الجزء الصعب هو:كيف نفعل هذا في الفضاء؟"
تحتاج الخميرة إلى الكربون والنيتروجين لتعيش. وهنا يأتي دور البول المعاد تدويره. يحتوي البول على مكون غني بالنيتروجين يسمى اليوريا (Yu-REE-uh). يستخدم بعض الباحثين البول لصنع السماد هنا على الأرض. وقد حالف بلنر الحظ في زراعة خلايا الخميرة مع البول. يقول:"إنهم يفضلونها ، في الواقع ، على مصادر النيتروجين الشائعة الأخرى". كتب فريقه عن استخدام اليوريا والبول لتغذية الخميرة في ورقة بحثية ستنشر في عدد آذار (مارس) من علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والتكنولوجيا الحيوية .
الشرح:قوة التسميد لـ N و P
جزء الكربون أصعب. يقوم الناس بإخراج ثاني أكسيد الكربون (CO). لكن الخميرة لا تستطيع استخدام هذا الغاز مباشرة. بدلاً من ذلك ، يقترح بلينر عملية من خطوتين. يمكن للميكروبات الأخرى أن تسحب ثاني أكسيد الكربون من الهواء. من بين هذه البكتيريا الزرقاء (Sy-AN-oh-bak-TEER-ee-uh) ، والمعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة. يستخدمون ثاني أكسيد الكربون في صنع غذاء يحتوي على الكربون من أجل طاقتهم ونموهم. يمكن للكيميائيين والمهندسين بدلاً من ذلك إطعام طعام الطحالب إلى الخميرة. حقق فريق Blenner بعض النجاح مع ذلك على نطاق صغير في المختبر.
عد تنازلي لبدء التشغيل
فرشاد دارفيشي يعرف من تجربته أن اليروية يمكن أن تنمو في البول. وهو متخصص في علم الأحياء الدقيقة بجامعة المراغة في إيران. لم يكن مشاركًا في مشروع Blenner ، لكنه عمل مع هذه الخميرة لأكثر من 12 عامًا. في عام 2009 ، استخدم اليوريا أيضًا كمصدر للنيتروجين للخميرة.
الشرح:ما هي البوليمرات؟
يقول:"الفكرة رائعة حقًا لإعادة تدوير البول والفضلات البشرية إلى بلاستيك ومغذيات لمهمة فضائية". ويضيف أن الباحثين سيحتاجون إلى حل الكثير من المشاكل للوصول إلى هناك. على سبيل المثال ، سيتعين على الأنظمة في الفضاء تغذية الكربون والنيتروجين بالخميرة بالنسب الصحيحة فقط. وإلا فقد لا تحتوي الخميرة على ما يكفي من بعض الجزيئات لتنمو جيدًا وتصنع المكونات الخام التي يريدها رواد الفضاء. ستحتاج الخميرة إلى أكسجين أيضًا.
سيحتاج الباحثون أيضًا إلى تصميم معدات جديدة لتنفيذ هذه العملية في الفضاء. أحد التحديات هو الحد الأدنى من الجاذبية هناك. يقوم Blenner حاليًا بزراعة الخميرة في قوارير صغيرة مفتوحة من السائل في مختبره. يقول بلينر إن ذلك لن ينجح في مركبة فضائية - "إلا إذا كنت تريد ثقافتك الميكروبية في كل مكان." بدلاً من ذلك ، ستحتاج أطقم العمل إلى حاويات مترابطة ولكنها مغلقة للخميرة والطحالب الخضراء المزرقة.
يقول دارفيشي إن بعض الباحثين يأملون أيضًا في تطوير سلالات من الخميرة يمكنها أن تأكل ثاني أكسيد الكربون مباشرة. إذا نجح ذلك ، فقد لا تحتاج مصانع الفضاء إلى البكتيريا الزرقاء على الإطلاق. ومع ذلك ، فإن هذا التطور لا يزال بعيد المنال.
عقبة أخرى تتمثل في اكتشاف أفضل طريقة لإخراج الدهون من الخميرة. على الأرض ، يمكن للعلماء استخدام مواد كيميائية تسمى المذيبات. يقول بلينر إن هذه قد تكون الطريقة الأكثر فعالية في الفضاء وقد لا تكون كذلك. في الوقت الحالي ، يقول ، "نحن نستكشف الخيارات."
