真菌和合成生物学如何拯救火星上的宇航员

几年前，克莱·王带着孩子们去加州航天中心参观航天飞机。但当他抬头看着奋进号并思考人类太空探索时，这位药理学家不禁想问：“如果机组人员在前往火星的半路上用完了药物怎么办？”

在为期三年的火星任务中，很多事情都可能出错，而且你能带的药品数量也是有限的。“对于食物，你可以准确预测宇航员需要吃多少，”王说。“但药物你无法预测。”

如果他们突然需要某种未包装的药物怎么办？使问题更加复杂的是，与地球上的药物相比，太空环境似乎会使许多药物失去效力并更快地降解。

这些都是王先生认为未来火星探险者可能需要自己种植药物的原因。他在南加州大学的实验室即将启动一项实验，这项实验可能为实现这一目标铺平道路。

如果一切按计划进行，一些幸运的构巢曲霉真菌样本将于周五搭乘 SpaceX 火箭前往国际空间站。

未来的火星探险者可能需要自己种植药物。

这种特殊的真菌在生物医学研究中具有重要意义。科学家们基本上了解了构巢曲霉菌的基因组，但其中有些部分仍是谜。许多基因的功能尚不清楚，王的团队希望太空环境的压力可以激活这些基因并产生新的化合物。如果你把构巢曲霉菌想象成一个工厂，“就像工厂里的许多机器都被关闭了，所以我们不知道它们制造了什么，”王说。“在太空中，它们可能会被打开。”

在大多数情况下， A. nidulans仅能产生少数几类化合物，但王说，他的实验室发现“它们会根据生长条件产生不同的天然产物。”该团队希望太空独特、充满压力的条件能够诱导真菌发挥创造力，产生可制成药物的化合物。这可能不仅对地球人有益，对太空中的宇航员也有益。

王的团队还想将构巢曲霉菌或其他真菌变成能够在太空中生产各种药物的工厂。但他们首先需要了解空间站的高辐射、低重力环境对真菌的影响。它会产生哪些化合物，数量有多少？哪些基因被激活，哪些基因被抑制？

为了找到答案，他们将把真菌样本送到空间站生长几天，然后冷冻样本，直到它们可以送回地球。一旦太空真菌返回，研究人员将把它的代谢物、蛋白质和基因表达模式与保存在地面上的样本进行比较。

接下来，研究人员可以利用这些信息来培育能够在太空中生存、可以产药的真菌菌株——构巢曲霉菌株或其他更适合的菌种。

例如， A. nidulans能够产生对抗骨密度低的化合物——这是困扰长期处于地球引力之外的宇航员的问题。通常情况下，这种真菌可能只产生少量这种化合物，但通过选择性培育产生大量这种物质的菌株，研究人员可以开发出更有效的版本。其他菌株将被开发来产生其他类型的化合物。

“最大的突破是合成生物学：重新编程这些生物的能力。”

王设想未来的火星探险者会携带每种菌株的几个孢子，他们可以根据需要进行培养，在短短 2 到 4 天内生产出药物。与植物不同，真菌不需要土壤或特殊的光照条件。它们所需要的只是一些食物残渣和一点水。

更进一步来说，基因工程可以帮助真菌在往返火星的旅途中生产各种抗菌剂、抗真菌剂，甚至抗癌药物。它们可以制造任何来自真菌的天然药物，例如降胆固醇药物洛伐他汀、免疫抑制剂环孢菌素（用于预防器官移植排斥）和灰黄霉素（有助于对抗足癣和其他真菌感染）。

“最大的突破是合成生物学，即重新编程这些生物的能力，”王说。“我们不仅可以重新编程它们，还可以相当轻松地操纵它们。”

王说，最终宇航员甚至可能不需要携带装满孢子的药柜进入太空。如果火星探险者用完了灰黄霉素，地面控制中心可以通过电子邮件向他们发送用于生产这种药物的基因序列，然后 DNA 合成器可以将这些代码写入可以生产这种药物的人造细胞中。

虽然科学家已经能够将 DNA 写入人造细胞，但这项技术的实际应用可能还需要数年甚至数十年的时间。随着本周的发布，王和他的团队将播下种子（或者说孢子），帮助这一想法变成现实。