Sfruttare i microbi bioingegnerizzati come piattaforma versatile per la nutrizione spaziale

May 05, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 6177 (2022) Citare questo articolo

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Le imprese umane attraverso il sistema solare comporteranno viaggi di lunga durata e insediamenti che creeranno sfide nel mantenere una dieta sana. Discutiamo del consolidamento di molteplici attributi sensoriali e nutrizionali nei microrganismi per sviluppare sistemi di produzione alimentare personalizzabili con input, impronte fisiche e rifiuti minimi. Prevediamo che una raccolta di lieviti bioingegnerizzati per il metabolismo di un solo carbonio, una nutrizione ottimale e diverse consistenze, gusti, aromi e colori possa fungere da piattaforma flessibile di produzione alimentare. Al di là del suo potenziale per sostenere gli esseri umani nello spazio, gli alimenti a base microbica bioingegnerizzati potrebbero portare a un nuovo paradigma per la produzione alimentare della Terra che fornisce una maggiore autosufficienza ed elimina la pressione dagli ecosistemi naturali.

Le imprese spaziali umane di lunga durata, come il ritorno sulla Luna per periodi prolungati, la visita agli asteroidi e il viaggio su Marte, richiederanno l’autosufficienza e la massimizzazione dei sistemi di supporto vitale. Ridurre la dipendenza dal carico di lancio iniziale e dal rifornimento dalla Terra migliora l’autonomia, mitiga i rischi ed è essenziale per la fattibilità economica e logistica delle attività umane a lungo termine nello spazio. La biotecnologia può svolgere un ruolo fondamentale nel raggiungimento di questo obiettivo1,2. I sistemi viventi si auto-replicano, si auto-riparano e si auto-organizzano e possono essere progettati per sfruttare le risorse disponibili per la produzione economicamente vantaggiosa dei risultati desiderati (ad esempio, nutrienti, prodotti farmaceutici, biomateriali), avendo così un grande potenziale per ridurre i carichi e le risorse. rifornimenti. In particolare, l’applicazione della biotecnologia per la produzione alimentare fuori dalla Terra sarà determinante nel sostenere i viaggi e gli insediamenti umani attraverso il sistema solare3,4,5. Qui, descriviamo la motivazione per lo sviluppo di sistemi di produzione alimentare a base microbica. Esaminiamo l'uso della biologia sintetica per consolidare molteplici attributi sensoriali e nutrizionali degli alimenti in microrganismi autotrofi ingegnerizzati o carbonio di scarto che utilizzano per contribuire a questo sforzo. Discutiamo anche la prospettiva dell’approccio in combinazione con la stampa tridimensionale (3D) per ottenere il consumo diretto di alimenti microbici completamente personalizzati e massimizzare la produzione alimentare con il minimo spreco.

Nelle missioni di breve durata, è possibile trasportare cibo sufficiente per l'intera missione e rifornimenti regolari mantengono la Stazione Spaziale Internazionale rifornita di cibo3. Tuttavia, raggiungere l’autosufficienza alimentare sarà essenziale per i futuri viaggiatori spaziali, poiché la domanda di cibo aumenta notevolmente quando la durata delle attività spaziali si allunga1. A titolo esemplificativo, si stima che una missione con sei membri di equipaggio per circa 500 giorni di permanenza su Marte richiederà circa cinque tonnellate di cibo, più altre otto-dieci tonnellate per transiti ed imprevisti interplanetari5. Oltre agli enormi costi logistici legati al trasporto e allo stoccaggio di grandi quantità di cibo, il cibo immagazzinato è soggetto a deterioramento, deterioramento e riduzione dei livelli di nutrienti o della biodisponibilità, il che potrebbe portare a carenza di cibo o sottonutrizione, compromettendo la salute dell’equipaggio e le prestazioni fisiche e cognitive. Quindi, oltre a trasportare tutto il cibo necessario o fare affidamento sulle scorte della Terra, l’approccio migliore per sostenere estese iniziative spaziali umane è quello di produrre cibo in loco. I sistemi alimentari ideali dovrebbero essere in grado di produrre in modo affidabile alimenti accattivanti e ricchi di nutrienti su richiesta, velocemente e con input e ingombri fisici minimi.

Sono state prese in considerazione diverse alternative, tra cui piante, alghe, insetti, carne coltivata e microbi, per produrre cibo fuori dalla Terra1,6,7,8,9,10. I microrganismi richiedono relativamente meno input, raddoppiano la loro biomassa più rapidamente e sono generalmente più suscettibili agli interventi di bioingegneria, tutti vantaggi fondamentali che giustificano il loro sviluppo come sistemi di produzione alimentare. Inoltre, oltre ad essere consumati da millenni in alimenti e bevande come pane, yogurt, formaggio, birra e vino e, più recentemente, come probiotici alimentari, i microrganismi vengono sempre più utilizzati per produrre additivi alimentari e sono considerati una fonte alimentare sostenibile per il futuro11, 12,13. Se i microrganismi potessero essere coltivati ​​sul carbonio e sull’azoto disponibili o di scarto per produrre cibo appetitoso e nutriente, allora non solo potrebbero estendere la durata delle operazioni umane extraterrestri, ma anche diminuire l’impatto ambientale dell’attuale agricoltura terrestre.