宇航员也会生病。 这里介绍一些可能在火星上种植药物的技术

这篇文章刊登在 2021 年 3 月/4 月的《Discover》杂志上，标题为“火星药物”。通过成为《Discover》杂志的订阅者，支持我们的科学新闻报道。

科幻作家们一个多世纪以来一直在梦想着载人火星任务。但直到韦恩赫·冯·布劳恩于 1953 年出版了他的著作《火星计划》的英文译本，这个想法才从虚构的领域进入现实。

《火星计划》有力地论证了前往火星的技术可行性，极其具体地概述了 10 艘航天器，每艘载有 70 人并使用常规推进剂，如何实现往返红色星球的旅程。

尽管自该书出版以来，科学技术取得了长足发展，但挑战依然存在，从设计可呼吸的栖息地到种植营养食物。但还有一个问题，NASA 的一项名为“太空生物工程利用中心 (CUBES)”的研究项目自 2017 年以来一直在致力于解决这个问题，它与空气或食物一样，对于长期成功地在地球以外建立人类定居点至关重要：治疗疾病。

这是一个棘手的问题，没有简单的答案。用药物装满航天器怎么样？乍一看，这似乎是一个现实的解决方案，但宇航员无法提前知道他们可能生病的各种方式。将人类送往火星存在一些已知风险，例如行星较低的重力对骨密度和肌肉质量的影响，或者宇航员离开地球大气层保护层后可能暴露于宇宙辐射。但是，为所有可能的情况打包药物将是昂贵的，并且会占用宝贵的货舱空间。

由于地球和火星之间距离遥远，宇航员也无法依赖地球及时运送补给。已经登陆火星的航天器花了将近一年的时间才到达那里。毅力号，2020 年 7 月 30 日发射的最新火星探测器，预计在你阅读本文时已经着陆：比发射晚了 200 多天。这个时间对于运送紧急、救命的药物或物资来说太长了。

合成解决方案

科学家们没有给宇航员提供昂贵且有限的药物储备，而是采取了一种不同的方法来解决这个问题。如果宇航员能在火星上制造他们需要的东西呢？

这是 CUBES 正在努力开发的一种解决方案，CUBES 是 NASA 于 2017 年 2 月成立的一个太空技术研究机构。它正在利用合成生物学——一个利用工程技术按需构建新生物体的科学领域——的工具和技术来实现这一点。

“如果我们能拥有可编程的生命为我们制造东西，那么我们就无需在出发前考虑所有可能性，因为生命以其他东西无法比拟的方式进行编程，”CUBES 主任 Adam Arkin 说。Arkin 毕生致力于研究如何，用他自己的话说，“用生命构建东西”，开发更可持续的生物制造系统。火星为这些愿望提供了一个理想的挑战性环境；毕竟，这是一个不可预测的极端环境，人类必须出于需要，竭尽所能利用所有可用的资源。“如果我们能建立一个基本上可以作为工厂生长的东西，我们就可以降低成本，提高在（火星上）的效率和弹性，”他说。

可编程植物

Arkin 设想的“工厂”可能包括用于编程植物（如生菜和菠菜）和微生物（如螺旋藻）以生产稳定药物疗法的技术。CUBES 的四个部门之一——食品和制药合成部门 (FPSD) 正在探索几种不同的方法，以最佳地利用天然存在的生物体进行药物生产。例如，有一种种子库模式：一种经过基因改造以生产目标分子（药物）的植物的种子，与宇航员一起送往航天器。然后，一旦在火星上建立了人类殖民地，定居者就可以种植这些植物，然后直接食用植物以获取药物，或者提取药用成分，提纯，然后像我们在地球上对许多药物那样注射。

为了生产这些植物，FPSD 正在使用一种称为农杆菌转化（agrobacterium transformation）的较旧技术，这个过程是利用一种称为农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）的细菌作为载体，将 DNA 表达系统导入植物基因组。通过将新的 DNA 引入目标植物，科学家们能够诱导植物产生其本身不会产生的治疗性蛋白质。另一种方法包括合成编码宇航员在火星上可能需要的任何药物的基因，或者从一种 DNA 库中选择，然后将基因直接注入植物。

“当你谈论合成生物学时，它的强大之处在于你可以为各种目的合成 DNA。因此，我认为拥有一个行星上的基因合成能力将是一个非常有价值的工具，”FPSD 主管、加州大学戴维斯分校化学工程教授 Karen McDonald 说。一旦合成，就可以使用一种称为基因枪的工具按需将基因直接引入植物，基因枪是一种弹道装置，它以如此强大的力量将 DNA 颗粒射到叶片表面，以至于穿透植物的细胞壁，从而使遗传物质能够被引入生物体。

这在实践中看起来怎么样？该部门的主要项目之一是使用农杆菌转化技术在生菜中生产一种可用于治疗骨质减少症或骨质疏松症的蛋白质肽。通过多代繁殖该植物，研究人员将能够选择那些能够从一代又一代中产生最稳定数量药物的品系。他们还在研究其他绿叶蔬菜，如菠菜，作为药物的潜在平台。这些植物不仅经常用于 NASA 的实验，而且它们的收获指数非常高，这意味着植物的大部分或全部都可以作为食物食用，这使得它们很可能成为火星任务的候选者。

但这项工作并非没有挑战，而且由于火星环境的严苛需求而变得更加复杂。

下一个星球

“作为工程师，我们要在约束条件下设计系统，”McDonald 说。“但我们在地球上面临的约束条件与火星任务中可能遇到的约束条件完全不同。”她的团队面临两个相互关联的挑战：完善廉价高效地从植物中提取和纯化对宇航员安全注射的化合物的方法，以及确定药物有多少真正能进入血液。McDonald 说，宇航员可能需要携带一些诊断设备来确保药物被提纯且安全食用。

尽管 CUBES 的目光投向了星辰大海，但这项工作也为地球上的生活带来了重要的思考。Arkin 说，从健康和安全角度来看，这项技术不太可能——也不应该——取代地球上大规模生产药物。但这并不意味着 CUBES 的研究没有潜力彻底改变我们在这里的饮食和种植方式，尤其是在未来几十年，随着气候变化加剧、全球人口增长以及自然资源持续枯竭。

“（CUBES）的核心思想是，是的，火星是我们可能访问的下一个星球，但我们的星球正在以前所未有的速度变化，所以我们必须在这里处理好‘下一个星球’，”Arkin 说。“如果我们能建造一个自养的、自建的工厂，能够利用二氧化碳、光照和废物为 10 个人提供食物、燃料、药品和建筑材料，那将是全人类的巨大福祉。这将为我们在地球上的‘下一个星球’做好准备。”

Aria Alamalhodaei是一位居住在蒙大拿州的自由撰稿人。