載人航天工程中的微生物科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用

袁俊霞，印 紅，馬玲玲，徐侃彥

(航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司空間微生物研究室，北京100190)

1 引言

微生物是地球上出現(xiàn)最早、分布最廣、多樣性最豐富的生物類群。 在地球漫長(zhǎng)的演化歷史中，微生物因其生長(zhǎng)周期短、繁殖快、變異累積豐富等遺傳特征，形成了極高的生物多樣性，同時(shí)對(duì)多種極端環(huán)境產(chǎn)生了極強(qiáng)的環(huán)境耐受性。 在空間極端環(huán)境下一些微生物被發(fā)現(xiàn)可以生存且表現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性[1-2]。 考慮到空間環(huán)境的獨(dú)特性與復(fù)雜性，探索微生物在空間環(huán)境中的生存能力與適應(yīng)機(jī)制成為推進(jìn)人類空間探索可持續(xù)發(fā)展、支撐人類開展地外生命探索和宇宙生命起源等基礎(chǔ)科學(xué)研究的核心問(wèn)題。 同時(shí)，在載人航天活動(dòng)支撐下，利用微生物在空間環(huán)境下特有的生命機(jī)能、活動(dòng)特性和代謝過(guò)程，發(fā)展服務(wù)于空間和地面環(huán)境的微生物技術(shù)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用，將大大豐富地面醫(yī)藥、環(huán)境、能源和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展。

2 空間環(huán)境特點(diǎn)

空間環(huán)境是由空間高能粒子輻射、微重力、高真空、溫度驟變等復(fù)雜因素組成的獨(dú)特環(huán)境。 隨著載人航天任務(wù)的推進(jìn)，人類對(duì)空間環(huán)境的探索已經(jīng)從近地軌道環(huán)境推向深空環(huán)境，兩者的環(huán)境參數(shù)差異如表1 所示。 與近地軌道相比，處于深空環(huán)境中的生命體受環(huán)境影響表現(xiàn)往往更加極端[3]。

空間高能粒子輻射是制約人類開展長(zhǎng)期深空探索的關(guān)鍵因素，主要由各種能量以及隨時(shí)空變化的粒子組成。 對(duì)于近地軌道任務(wù)，主要的輻射來(lái)源是銀河宇宙輻射和地磁捕獲粒子(范艾倫帶)，輻射粒子主要由質(zhì)子和電子組成[4]。 在深空任務(wù)中，由于脫離了地磁保護(hù)，主要的輻射來(lái)源是銀河宇宙輻射和太陽(yáng)粒子事件。 單次火星任務(wù)(單程飛行各6 個(gè)月，表面駐留2 年)航天員受到的累積輻射總量接近1 Sv[5]。 對(duì)微生物而言，高能粒子輻射能量高、貫穿力強(qiáng)，可以直接作用于DNA，DNA 雙鏈斷裂是高能粒子輻射造成的最嚴(yán)重?fù)p傷[5-6]。

空間電磁輻射也會(huì)對(duì)進(jìn)入其中的生命體產(chǎn)生影響。 由于沒(méi)有地球大氣臭氧層對(duì)290 nm 以下射線的阻擋，在近地軌道存在全光譜紫外輻射，除了UVA(320～400 nm)、UVB(290 ～320 nm)長(zhǎng)波紫外輻射，還包含被大氣層屏蔽的UVC(190 ～280 nm)和真空UV(＜190 nm)，其中，UVC 波長(zhǎng)短、能量高，對(duì)地球生命體有強(qiáng)烈的刺激作用[3，6]。

表1 深空環(huán)境、LEO 和空間站艙內(nèi)的環(huán)境參數(shù)比較[3]Table 1 Comparison of environmental parameters in interplanetary space， low Earth orbit， and cabin of manned spacecraft[3]

微重力環(huán)境中自然對(duì)流、沉積等現(xiàn)象的消失，將誘使生命體產(chǎn)生不同于重力環(huán)境的生命特征。近地軌道飛行過(guò)程中微重力介于10-3～10-6g。 此外，不同軌道飛行任務(wù)中壓力和溫度變化也不同。在近地軌道任務(wù)中，真空度介于10-7～10-4Pa，火星上的大氣壓力約為700 Pa，比地球上低100 多倍。 在星際空間，真空度可達(dá)10-14Pa。 空間站外直接暴露在太陽(yáng)下的溫度在-120 ～120 ℃之間波動(dòng)。 在火星任務(wù)中，探測(cè)器數(shù)據(jù)顯示溫度在-153 ℃(極點(diǎn))～20 ℃間波動(dòng)[4]。

3 空間環(huán)境對(duì)微生物的影響

大量的空間實(shí)驗(yàn)表明，在空間環(huán)境下生長(zhǎng)的細(xì)菌易表現(xiàn)出許多不同于地面的生物學(xué)特征，如生長(zhǎng)速度加快、遲緩期縮短、毒力增加、抗生素抗性增強(qiáng)、更易形成生物膜等，并且隨著空間飛行時(shí)間延長(zhǎng)，這些生物效應(yīng)明顯加劇[7-8]。

微重力環(huán)境是影響微生物空間行為的主要因素。 與地球重力環(huán)境不同，微重力條件下對(duì)流和沉積現(xiàn)象的消失，會(huì)導(dǎo)致微生物細(xì)胞在生長(zhǎng)、代謝過(guò)程中與環(huán)境中的物質(zhì)交換效率降低，進(jìn)而使微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效獲取難度增大。 Zea[9]對(duì)大腸桿菌的研究進(jìn)一步支持了上述觀點(diǎn)：微重力環(huán)境會(huì)激活大腸桿菌體內(nèi)能量合成相關(guān)基因，誘發(fā)饑餓相關(guān)基因過(guò)表達(dá)，加快細(xì)菌的新陳代謝。同時(shí)，在空間條件下微生物趨向于聚集成更大的細(xì)胞群落，與生物膜相關(guān)的細(xì)胞外基質(zhì)形成加速，進(jìn)而通過(guò)形成生物膜增加對(duì)環(huán)境的耐受性，增加其在空間條件下的存活幾率。 空間環(huán)境下微生物生物膜的形成通常伴隨著毒性、感染性和抗生素抗性等特征的改變[10-12]。 此外，在空間條件下，微重力與空間輻射環(huán)境的互作可能會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生疊加效應(yīng)，微重力環(huán)境影響DNA 損傷修復(fù)系統(tǒng)的正常功能也是導(dǎo)致微生物在空間環(huán)境下生物學(xué)行為變化的因素之一[6，13]。

研究表明，空間環(huán)境對(duì)微生物的影響涉及基因、生物組件、細(xì)胞功能和代謝產(chǎn)物等多個(gè)層面。Kim 等[12]基于微陣列和蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，經(jīng)過(guò)空間培養(yǎng)的腸沙門氏菌體內(nèi)大量轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)的表達(dá)會(huì)發(fā)生變化，其中，培養(yǎng)基中的無(wú)機(jī)磷酸鹽變化是引起其生物膜形成，毒性增強(qiáng)的重要因素[14]。 多項(xiàng)研究顯示，細(xì)菌RNA 分子伴侶蛋白Hfq 被認(rèn)為是調(diào)控上述反應(yīng)的關(guān)鍵因子，Hfq 調(diào)控系統(tǒng)也是發(fā)現(xiàn)的第1 個(gè)影響微生物空間環(huán)境適應(yīng)性的潛在作用機(jī)制[15-16]。 Hfq 作為細(xì)菌轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的核心成員，通過(guò)結(jié)合sRNA 促進(jìn)其與目標(biāo)mRNA 配對(duì)，從而觸發(fā)蛋白質(zhì)水平的調(diào)控。在細(xì)菌中，Hfp 缺失突變株表現(xiàn)出復(fù)雜表型，包括致病性、毒性減弱，環(huán)境適應(yīng)能力差等[17]。 此外，Wilson 等[18]研究表明，rpoS 編碼的穩(wěn)定σ 因子也是細(xì)菌應(yīng)激響應(yīng)的核心調(diào)控因子，被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控鼠傷寒沙門氏菌中的各種應(yīng)激反應(yīng)。 逐步挖掘與空間適應(yīng)性相關(guān)的潛在調(diào)控因子，揭示其與宿主細(xì)胞的相互作用機(jī)制，并將上述機(jī)制與微生物生物膜形成、毒性改變和適應(yīng)性變化等生物學(xué)特征相關(guān)聯(lián)是未來(lái)空間微生物研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 微生物在載人航天工程中的應(yīng)用

4.1 空間微生物安全

在載人航天活動(dòng)中，俄羅斯早期的禮炮系列、和平號(hào)以及目前正在運(yùn)行的國(guó)際空間站中都發(fā)現(xiàn)了多種微生物生存和繁衍。 空間密閉艙內(nèi)微生物的過(guò)度積累以及輻射、微重力等空間因素將導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)、致病性和毒性改變，并可能進(jìn)一步引發(fā)航天員出現(xiàn)感染、過(guò)敏等癥狀，及空氣和水源污染，各種結(jié)構(gòu)材料降解等。 因此，對(duì)空間站內(nèi)微生物生態(tài)長(zhǎng)期追蹤分析，確保微生物安全是支撐長(zhǎng)期載人航天活動(dòng)的重要內(nèi)容。

以國(guó)際空間站為例，科學(xué)家針對(duì)微生物安全的研究策略主要是：確定微生物在艙內(nèi)環(huán)境定殖的特征；分離和識(shí)別微生物的組成；確定抑制微生物活動(dòng)的有效方法[19-20]。 在空間站密閉艙內(nèi)，多種生物組成生物膜是微生物在環(huán)境表面定殖的主要形式，這種生命形式可以增加微生物對(duì)環(huán)境的耐受性，其存在機(jī)制包括了微生物間合作、競(jìng)爭(zhēng)、信號(hào)分子傳遞以及水平基因轉(zhuǎn)移等[21]。 在微重力環(huán)境下，生物膜的形成具有與地面環(huán)境中不同的生物特征。 Kim 等[12]通過(guò)“Micro-2”實(shí)驗(yàn)研究微重力對(duì)銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌生物膜細(xì)胞聚集的影響，發(fā)現(xiàn)在空間寡養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的生物膜具有比在地球上更高的細(xì)胞密度，生物膜的厚度明顯增加。 同時(shí)，銅綠假單胞菌在微重力環(huán)境下還有柱狀和冠狀生物膜的形成，鞭毛結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)的形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 當(dāng)前，由于空間實(shí)驗(yàn)條件的限制，針對(duì)微重力如何改變生物膜(微生物聚集)形成，以及微重力影響微生物腐蝕性等機(jī)理研究仍不清楚，開展上述研究對(duì)于制定新的微生物安全控制策略，最大限度地減少微生物對(duì)航天器的有害影響具有重要意義。

在國(guó)際空間站運(yùn)行過(guò)程中，多項(xiàng)空間微生物采樣和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目用于分離和識(shí)別艙內(nèi)微生物的組成，并對(duì)后期微生物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)。早期研究主要通過(guò)對(duì)不同環(huán)境介質(zhì)采樣、培養(yǎng)、觀察、統(tǒng)計(jì)進(jìn)行。 近年來(lái)，基于PCR、芯片以及高通量測(cè)序的方法，發(fā)現(xiàn)了多種非培養(yǎng)法獲得的條件致病菌，進(jìn)一步完善了空間站微生物檢測(cè)結(jié)果[22-23]。 微生物在軌觀察項(xiàng)目“ISS-MO”將微生物群落變化、基因組變化與艙內(nèi)環(huán)境特征相關(guān)聯(lián)，對(duì)空間站艙內(nèi)微生物展開了長(zhǎng)期多代的動(dòng)態(tài)分析。 對(duì)分離的20 種細(xì)菌比較發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期生長(zhǎng)的細(xì)菌對(duì)多種抗生素的抗性明顯增加[24]；分離出的兩株煙曲霉的化學(xué)抗性雖然與地面相比無(wú)明顯變化，但其對(duì)斑馬魚幼蟲感染的毒性更加致命[25-26]。 該結(jié)果進(jìn)一步預(yù)示了微生物群落特征變化對(duì)航天員免疫系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

基于此，美歐科學(xué)家正在對(duì)分離自空間站的微生物菌株遺傳信息等進(jìn)行收集分析，建立了相應(yīng)的空間微生物數(shù)據(jù)庫(kù)。 將微生物系統(tǒng)信息分析與特異微生物基因組分析方法相結(jié)合，對(duì)潛在的病原生物、腐蝕性微生物等進(jìn)行識(shí)別鑒定，進(jìn)而對(duì)某些微生物的生物安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。 隨著我國(guó)空間站在軌建造任務(wù)臨近，首個(gè)航天微生物數(shù)據(jù)庫(kù)也正在構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫(kù)囊括了我國(guó)空間站、火星探測(cè)器等航天器在建造過(guò)程中的環(huán)境微生物菌株[27-28]，這些菌株將構(gòu)成未來(lái)我國(guó)空間站運(yùn)營(yíng)過(guò)程中微生物安全監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的“基線”。

4.2 微生物在生物再生生命保障系統(tǒng)中的應(yīng)用

利用天然、工程微生物菌群進(jìn)行艙內(nèi)航天員生活代謝產(chǎn)生的廢物轉(zhuǎn)化同時(shí)完成生物質(zhì)(食物)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)人類所需的營(yíng)養(yǎng)、氧氣和水等重要資源的再生是空間環(huán)境下生物再生生命保障系統(tǒng)中微生物功能部件開發(fā)的主要思路。 值得注意的是，微生物功能部件在空間環(huán)境下的穩(wěn)定性也是評(píng)估系統(tǒng)整體性能的重要因素。 因此，微生物，特別是針對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行遺傳改造的微生物工程菌在近地軌道環(huán)境以及深空環(huán)境的中儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及復(fù)蘇后的遺傳穩(wěn)定性、生物活性、毒性等特征均需經(jīng)過(guò)空間驗(yàn)證與評(píng)估。

Lasseur 等[29]建造的微生態(tài)生命支持系統(tǒng)替代系統(tǒng)MELiSSA(Micro-Ecological Life Support System Alternative)是由微生物與植物共同組成的閉合系統(tǒng)，微生物生物部件作為生產(chǎn)者與分解者均發(fā)揮了重要作用。 系統(tǒng)主要包含由嗜熱厭氧細(xì)菌組成的廢物分解系統(tǒng)，由光合異養(yǎng)細(xì)菌、微藻(螺旋藻)、高等植物組成的食物生產(chǎn)系統(tǒng)，以及由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌組成的硝化室(將循環(huán)中產(chǎn)生的氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，供光合細(xì)菌使用)。光合細(xì)菌由于具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、易消化、生長(zhǎng)速度快、收獲及后處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是系統(tǒng)中食物生產(chǎn)部件的良好選材。 在MELiSSA 系統(tǒng)大量地面研究的基礎(chǔ)上，節(jié)旋藻(Arthrospira)作為氧氣和生物質(zhì)生產(chǎn)的候選者，驗(yàn)證了其在空間站長(zhǎng)周期培養(yǎng)過(guò)程中生物質(zhì)生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)和光合作用效率。 在此基礎(chǔ)上，評(píng)估了微重力、輻射等條件對(duì)節(jié)旋藻菌株的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理學(xué)以及遺傳變化的影響[30]。

此外，為解決未來(lái)深空探測(cè)人類營(yíng)養(yǎng)素的原位按需補(bǔ)充，Ball 等[31]的“Bionutrients”實(shí)驗(yàn)搭建了1 個(gè)用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)營(yíng)養(yǎng)素的原位微生物生產(chǎn)平臺(tái)。 該實(shí)驗(yàn)使用能夠制造玉米黃素的工程酵母從可食用培養(yǎng)基中生成類胡蘿卜素，以補(bǔ)充長(zhǎng)期儲(chǔ)存的食物中潛在的維生素?fù)p失。 在大量地面研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)微生物生物部件的空間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)正在逐步展開，這也是人類未來(lái)向地外軌道生物基生命支持系統(tǒng)開發(fā)邁出的重要一步，對(duì)于未來(lái)長(zhǎng)期飛行任務(wù)的執(zhí)行中生物質(zhì)的生產(chǎn)以及發(fā)射成本的控制等都具有重要意義。 同時(shí)，這些技術(shù)在未來(lái)地面食品生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也極具潛力。

4.3 微生物在深空探測(cè)中的原位應(yīng)用

原位資源利用(In-situ Resource Utilization，ISRU)是指利用地外目標(biāo)星體的資源生產(chǎn)載人航天任務(wù)所需要的物資資源，如氧氣和水，進(jìn)而提高飛行任務(wù)中的安全性和經(jīng)濟(jì)可承受性。 盡管當(dāng)前原位資源利用技術(shù)仍處于初級(jí)階段，基于生物的原位資源利用仍表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。 Montague 等[32]認(rèn)為微生物可以利用月球上大量存在的含碳物質(zhì)、水分生產(chǎn)食物。 Hogan 等[33]在國(guó)際空間站上開展的“Micro-12”實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究微重力條件下胞外呼吸模式菌Shewanellaoneidensis MR-1的生物膜形成、細(xì)胞外電子傳遞特征，以期將其用于生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)中微生物電合成過(guò)程。Loudon 等[34]的“Biorock”實(shí)驗(yàn)著眼于火星巖石在未來(lái)原位資源中的應(yīng)用前景，通過(guò)研究鞘氨醇單胞菌、枯草芽孢桿菌及耐金屬貪銅菌對(duì)巖石的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用和對(duì)巖石蝕變的影響，為未來(lái)基于微生物的空間開采技術(shù)奠定基礎(chǔ)，提高未來(lái)的原位資源利用能力。

5 微生物在天體生物學(xué)研究中的應(yīng)用

研究地球及地外星球的生命起源、進(jìn)化、生命在宇宙中的分布以及生命和環(huán)境相互作用，進(jìn)而在太陽(yáng)系內(nèi)、外尋找生命及宜居環(huán)境是天體生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。 地球上極端環(huán)境中(包括鹽湖、旱地、深海、極地、永久凍土等)微生物的存在使人類推測(cè)微生物能夠在地外極端空間環(huán)境下生存。 由于生命的起源過(guò)程不可能在實(shí)驗(yàn)室里完整復(fù)現(xiàn)，因此，將微生物用作代表性的生物模型系統(tǒng)，在宇宙進(jìn)化的框架下關(guān)注地球生命體在真實(shí)空間環(huán)境下的存活、耐受和適應(yīng)機(jī)制是開展天體生物學(xué)研究的主要方法。 目前，歐美國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了多種用于短期和長(zhǎng)期微生物空間暴露實(shí)驗(yàn)的生物學(xué)裝置，能夠針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)需求提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌、孢子、地衣、真菌等生命體的空間暴露實(shí)驗(yàn)[3，6，35-36]。

在太陽(yáng)系的各大行星中，火星是最“類地”的行星，和地球環(huán)境不同的是，由于缺乏內(nèi)在磁場(chǎng)、表面稀薄的大氣對(duì)輻射的屏蔽能力極弱，火星幾乎是持久地暴露于空間輻射場(chǎng)中，這種環(huán)境與早期地球環(huán)境極為相似。 因此，揭示地球微生物在火星表面環(huán)境的生存與繁衍方式，對(duì)于探討地球生命起源和火星生命探測(cè)至關(guān)重要。 多次的空間暴露實(shí)驗(yàn)[37-38]表明，火星上的紫外輻射(λ ≥200 nm)是影響微生物存活的主要限制因子。UV-B、UV-C 射線能夠誘發(fā)生物體DNA 鏈中相鄰的嘧啶堿基產(chǎn)生嘧啶二聚體，阻礙DNA 的復(fù)制和堿基的正常配對(duì)，使DNA 空間構(gòu)象發(fā)生改變，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)錄以及蛋白質(zhì)的生物功能。 短波的真空紫外輻射會(huì)被生物DNA 分子吸收，直接或間接導(dǎo)致生物體DNA 鏈斷裂，引發(fā)生物的高突變率或者致死。 Wassman 等[38]將具有抗紫外輻射能力的枯草芽孢桿菌株MW01 在地球低軌道環(huán)境中搭載559 天發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)的芽孢能夠存活，表明太陽(yáng)紫外輻射對(duì)枯草芽孢桿菌的芽孢極具破壞力。

相比之下，溫度、壓力和宇宙電離輻射等環(huán)境因素對(duì)微生物孢子的存活率影響較小[4，6]。 特別是，向微生物加以適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于提高微生物對(duì)火星環(huán)境的耐受性極為重要。 在生物盤(Biopan)上開展的生存實(shí)驗(yàn)中，暴露的枯草芽孢桿菌在經(jīng)過(guò)2 周飛行后，返回地面時(shí)全部失活，而被包被在泥土、隕石層或者鹽晶中的芽孢的存活率則為100%[7，39]。 Pacelli 等[40]將石生微生物空間暴露了548 天后生物類群仍能存活，在一定程度上支持了微生物能夠在星際塵埃或者隕石中存活、運(yùn)移的可能性，同時(shí)也表明石生微生物在宇宙生命起源研究中的應(yīng)用潛力。

隨著人類航天活動(dòng)的日趨頻繁，更多的天體生物學(xué)研究通過(guò)空間暴露的方式開展，但許多研究?jī)H關(guān)注于空間單一因素對(duì)生命體的影響。Nicholson 等[41]對(duì)枯草芽孢桿菌的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示：地面單一模擬環(huán)境對(duì)枯草芽孢桿菌孢子的破壞性小于真實(shí)空間環(huán)境，因此，天體生物學(xué)研究需要更多地考慮空間復(fù)合環(huán)境對(duì)微生物造成的協(xié)同效應(yīng)。 此外，受當(dāng)前空間實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力的限制，多數(shù)實(shí)驗(yàn)主要圍繞休眠態(tài)微生物的生存能力評(píng)估展開，未來(lái)的研究中只有開發(fā)多種生物技術(shù)手段，才能實(shí)現(xiàn)從休眠態(tài)到代謝旺盛的微生物，從基因到個(gè)體，甚至群落適應(yīng)空間真實(shí)環(huán)境的生物學(xué)機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，才能利用微生物開發(fā)、預(yù)測(cè)和假設(shè)空間環(huán)境中存在生命的可能性。

6 空間微生物技術(shù)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用

微生物在多個(gè)空間環(huán)境因素的協(xié)同作用下，其基礎(chǔ)生物學(xué)特征以及致病性、抗性等均會(huì)產(chǎn)生變化，甚至產(chǎn)生一些地面環(huán)境中難以獲得的生物特性。 將微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)和空間生物工程研究相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間微生物技術(shù)研究與轉(zhuǎn)化是微生物應(yīng)用的重要形式。

在空間飛行任務(wù)中，航天員表現(xiàn)出心血管功能失調(diào)、骨質(zhì)流失、肌肉萎縮等癥狀，解決航天員在空間飛行環(huán)境下的生存、健康和工效的問(wèn)題是載人航天的首要問(wèn)題。 研究表明，藥物在空間環(huán)境中施用時(shí)的表現(xiàn)與在地球上表現(xiàn)不同。 酵母是一種適用于多種健康疾病的模式生物，Zea[42]利用釀酒酵母在微重力環(huán)境下評(píng)估了二甲雙胍影響細(xì)胞代謝途徑，了解微重力條件下藥物在細(xì)胞內(nèi)的作用途徑，進(jìn)而提高藥物在空間環(huán)境下的有效性。 Johanson 等[43]、Coleman 等[44]在空間環(huán)境下分析了Msn4、Sfp1 介導(dǎo)的酵母細(xì)胞簇的遺傳分化，進(jìn)而為尋找抑制腫瘤細(xì)胞簇的新藥或?qū)ふ倚碌幕虬悬c(diǎn)奠定基礎(chǔ)。

利用空間特殊條件篩選產(chǎn)率高、活性強(qiáng)的生產(chǎn)用菌也是微生物技術(shù)應(yīng)用的重要方面。 利用微生物開發(fā)抗病毒研究和癌癥治療的γ 干擾素、治療肺氣腫的彈性蛋白酶、治療糖尿病的胰島素等已經(jīng)取得很大的進(jìn)展[45]。 更重要的是，將空間環(huán)境作為創(chuàng)新平臺(tái)，利用微生物工程菌實(shí)現(xiàn)藥品、食品、化學(xué)品的制備，能夠促進(jìn)空間生物技術(shù)向生物發(fā)酵、生物化工以及生物基材料生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域滲透和轉(zhuǎn)化。 如NASA Briggs 研究團(tuán)隊(duì)[46]利用微重力環(huán)境改變大腸桿菌工程菌異丁烯合成的代謝網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而指導(dǎo)空間環(huán)境下異丁烯生產(chǎn)；Birlem等[47]通過(guò)開展空間特殊環(huán)境下產(chǎn)甲烷菌的培養(yǎng)，旨在尋找未來(lái)地面燃料的替代品。 Nickerson等[48]在空間培養(yǎng)重組減毒的沙門氏菌疫苗(RASV)菌株，通過(guò)提高療效和保護(hù)性免疫反應(yīng)促進(jìn)下一代疫苗的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

7 結(jié)束語(yǔ)

探討空間環(huán)境對(duì)微生物生命體的影響，其最終目標(biāo)是為維持人類的空間探索可持續(xù)發(fā)展制定相應(yīng)的對(duì)策。 開展微生物在空間特殊環(huán)境下的生命現(xiàn)象及其活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)研究，特別是長(zhǎng)期處于空間條件下微生物生存、變異、以及與宿主生物的相互作用機(jī)制，對(duì)于長(zhǎng)期航天任務(wù)的安全性和可持續(xù)性開展具有重要的支撐作用。 同時(shí)，立足于微生物在空間環(huán)境下獨(dú)特的代謝特征，利用空間微生物技術(shù)指導(dǎo)地面生產(chǎn)，挖掘人類對(duì)空間資源利用潛力，也是未來(lái)我國(guó)空間站建成后航天技術(shù)應(yīng)用的重要方面。 因此，如何最大化利用空間微生物科學(xué)與技術(shù)成果，將是我國(guó)載人航天工程發(fā)展以及空間微生物研究的重要課題。

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