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。 在地球漫長的演化歷史中，微生物因其生長周期短、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，同時對多種極端環(huán)境產(chǎn)生了極強的環(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)機制成為推進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)研究的核心問題。 同時，在載人航天活動支撐下，利用微生物在空間環(huán)境下特有的生命機能、活動特性和代謝過程，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

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)雜因素組成的獨特環(huán)境。 隨著載人航天任務(wù)的推進，人類對空間環(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期深空探索的關(guān)鍵因素，主要由各種能量以及隨時空變化的粒子組成。 對于近地軌道任務(wù)，主要的輻射來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，主要的輻射來源是銀河宇宙輻射和太陽粒子事件。 單次火星任務(wù)(單程飛行各6 個月，表面駐留2 年)航天員受到的累積輻射總量接近1 Sv[5]。 對微生物而言，高能粒子輻射能量高、貫穿力強，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重損傷[5-6]。

空間電磁輻射也會對進入其中的生命體產(chǎn)生影響。 由于沒有地球大氣臭氧層對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 波長短、能量高，對地球生命體有強烈的刺激作用[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10-14Pa。 空間站外直接暴露在太陽下的溫度在-120 ～120 ℃之間波動。 在火星任務(wù)中，探測器數(shù)據(jù)顯示溫度在-153 ℃(極點)～20 ℃間波動[4]。

3 空間環(huán)境對微生物的影響

大量的空間實驗表明，在空間環(huán)境下生長的細菌易表現(xiàn)出許多不同于地面的生物學(xué)特征，如生長速度加快、遲緩期縮短、毒力增加、抗生素抗性增強、更易形成生物膜等，并且隨著空間飛行時間延長，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，微重力條件下對流和沉積現(xiàn)象的消失，會導(dǎo)致微生物細胞在生長、代謝過程中與環(huán)境中的物質(zhì)交換效率降低，進而使微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的有效獲取難度增大。 Zea[9]對大腸桿菌的研究進一步支持了上述觀點：微重力環(huán)境會激活大腸桿菌體內(nèi)能量合成相關(guān)基因，誘發(fā)饑餓相關(guān)基因過表達，加快細菌的新陳代謝。同時，在空間條件下微生物趨向于聚集成更大的細胞群落，與生物膜相關(guān)的細胞外基質(zhì)形成加速，進而通過形成生物膜增加對環(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)境的互作可能會對微生物產(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)境對微生物的影響涉及基因、生物組件、細胞功能和代謝產(chǎn)物等多個層面。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)的表達會發(fā)生變化，其中，培養(yǎng)基中的無機磷酸鹽變化是引起其生物膜形成，毒性增強的重要因素[14]。 多項研究顯示，細菌RNA 分子伴侶蛋白Hfq 被認為是調(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 個影響微生物空間環(huán)境適應(yīng)性的潛在作用機制[15-16]。 Hfq 作為細菌轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的核心成員，通過結(jié)合sRNA 促進其與目標mRNA 配對，從而觸發(fā)蛋白質(zhì)水平的調(diào)控。在細菌中，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，揭示其與宿主細胞的相互作用機制，并將上述機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)是未來空間微生物研究的重點內(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

在載人航天活動中，俄羅斯早期的禮炮系列、和平號以及目前正在運行的國際空間站中都發(fā)現(xiàn)了多種微生物生存和繁衍。 空間密閉艙內(nèi)微生物的過度積累以及輻射、微重力等空間因素將導(dǎo)致微生物生長、致病性和毒性改變，并可能進一步引發(fā)航天員出現(xiàn)感染、過敏等癥狀，及空氣和水源污染，各種結(jié)構(gòu)材料降解等。 因此，對空間站內(nèi)微生物生態(tài)長期追蹤分析，確保微生物安全是支撐長期載人航天活動的重要內(nèi)容。

以國際空間站為例，科學(xué)家針對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；分離和識別微生物的組成；確定抑制微生物活動的有效方法[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環(huán)境的耐受性，其存在機制包括了微生物間合作、競爭、信號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“Micro-2”實驗研究微重力對銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌生物膜細胞聚集的影響，發(fā)現(xiàn)在空間寡養(yǎng)條件下生長的生物膜具有比在地球上更高的細胞密度，生物膜的厚度明顯增加。 同時，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。 當前，由于空間實驗條件的限制，針對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理研究仍不清楚，開展上述研究對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航天器的有害影響具有重要意義。

在國際空間站運行過程中，多項空間微生物采樣和監(jiān)測項目用于分離和識別艙內(nèi)微生物的組成，并對后期微生物的動態(tài)變化規(guī)律進行預(yù)測。早期研究主要通過對不同環(huán)境介質(zhì)采樣、培養(yǎng)、觀察、統(tǒng)計進行。 近年來，基于PCR、芯片以及高通量測序的方法，發(fā)現(xiàn)了多種非培養(yǎng)法獲得的條件致病菌，進一步完善了空間站微生物檢測結(jié)果[22-23]。 微生物在軌觀察項目“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)，對空間站艙內(nèi)微生物展開了長期多代的動態(tài)分析。 對分離的20 種細菌比較發(fā)現(xiàn)，長期生長的細菌對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明顯變化，但其對斑馬魚幼蟲感染的毒性更加致命[25-26]。 該結(jié)果進一步預(yù)示了微生物群落特征變化對航天員免疫系統(tǒng)的潛在風(fēng)險。

基于此，美歐科學(xué)家正在對分離自空間站的微生物菌株遺傳信息等進行收集分析，建立了相應(yīng)的空間微生物數(shù)據(jù)庫。 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，對潛在的病原生物、腐蝕性微生物等進行識別鑒定，進而對某些微生物的生物安全風(fēng)險進行評估。 隨著我國空間站在軌建造任務(wù)臨近，首個航天微生物數(shù)據(jù)庫也正在構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫囊括了我國空間站、火星探測器等航天器在建造過程中的環(huán)境微生物菌株[27-28]，這些菌株將構(gòu)成未來我國空間站運營過程中微生物安全監(jiān)測和風(fēng)險評估的“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、工程微生物菌群進行艙內(nèi)航天員生活代謝產(chǎn)生的廢物轉(zhuǎn)化同時完成生物質(zhì)(食物)生產(chǎn)，實現(xiàn)人類所需的營養(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)定性也是評估系統(tǒng)整體性能的重要因素。 因此，微生物，特別是針對特定目標進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)境的中儲存、運輸以及復(fù)蘇后的遺傳穩(wěn)定性、生物活性、毒性等特征均需經(jīng)過空間驗證與評估。

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菌組成的廢物分解系統(tǒng)，由光合異養(yǎng)細菌、微藻(螺旋藻)、高等植物組成的食物生產(chǎn)系統(tǒng)，以及由亞硝化細菌和硝化細菌組成的硝化室(將循環(huán)中產(chǎn)生的氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，供光合細菌使用)。光合細菌由于具有營養(yǎng)價值高、易消化、生長速度快、收獲及后處理簡單等優(yōu)點，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，驗證了其在空間站長周期培養(yǎng)過程中生物質(zhì)生產(chǎn)動力學(xué)和光合作用效率。 在此基礎(chǔ)上，評估了微重力、輻射等條件對節(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，為解決未來深空探測人類營養(yǎng)素的原位按需補充，Ball 等[31]的“Bionutrients”實驗搭建了1 個用于實現(xiàn)目標營養(yǎng)素的原位微生物生產(chǎn)平臺。 該實驗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，以補充長期儲存的食物中潛在的維生素損失。 在大量地面研究的基礎(chǔ)上，針對微生物生物部件的空間驗證實驗正在逐步展開，這也是人類未來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，對于未來長期飛行任務(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，這些技術(shù)在未來地面食品生產(chǎn)、環(huán)境保護等領(lǐng)域的應(yīng)用也極具潛力。

4.3 微生物在深空探測中的原位應(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，進而提高飛行任務(wù)中的安全性和經(jīng)濟可承受性。 盡管當前原位資源利用技術(shù)仍處于初級階段，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]在國際空間站上開展的“Micro-12”實驗通過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)中微生物電合成過程。Loudon 等[34]的“Biorock”實驗著眼于火星巖石在未來原位資源中的應(yīng)用前景，通過研究鞘氨醇單胞菌、枯草芽孢桿菌及耐金屬貪銅菌對巖石的營養(yǎng)物質(zhì)利用和對巖石蝕變的影響，為未來基于微生物的空間開采技術(shù)奠定基礎(chǔ)，提高未來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、進化、生命在宇宙中的分布以及生命和環(huán)境相互作用，進而在太陽系內(nèi)、外尋找生命及宜居環(huán)境是天體生物學(xué)的主要研究內(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。 由于生命的起源過程不可能在實驗室里完整復(fù)現(xiàn)，因此，將微生物用作代表性的生物模型系統(tǒng)，在宇宙進化的框架下關(guān)注地球生命體在真實空間環(huán)境下的存活、耐受和適應(yīng)機制是開展天體生物學(xué)研究的主要方法。 目前，歐美國家已經(jīng)開發(fā)了多種用于短期和長期微生物空間暴露實驗的生物學(xué)裝置，能夠針對不同實驗需求提供相應(yīng)實驗環(huán)境，實現(xiàn)了對細菌、孢子、地衣、真菌等生命體的空間暴露實驗[3，6，35-36]。

在太陽系的各大行星中，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、表面稀薄的大氣對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，對于探討地球生命起源和火星生命探測至關(guān)重要。 多次的空間暴露實驗[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，使DNA 空間構(gòu)象發(fā)生改變，進而影響轉(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，表明太陽紫外輻射對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?shù)谋Ｗo結(jié)構(gòu)對于提高微生物對火星環(huán)境的耐受性極為重要。 在生物盤(Biopan)上開展的生存實驗中，暴露的枯草芽孢桿菌在經(jīng)過2 周飛行后，返回地面時全部失活，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、運移的可能性，同時也表明石生微生物在宇宙生命起源研究中的應(yīng)用潛力。

隨著人類航天活動的日趨頻繁，更多的天體生物學(xué)研究通過空間暴露的方式開展，但許多研究僅關(guān)注于空間單一因素對生命體的影響。Nicholson 等[41]對枯草芽孢桿菌的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示：地面單一模擬環(huán)境對枯草芽孢桿菌孢子的破壞性小于真實空間環(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)境對微生物造成的協(xié)同效應(yīng)。 此外，受當前空間實驗技術(shù)能力的限制，多數(shù)實驗主要圍繞休眠態(tài)微生物的生存能力評估展開，未來的研究中只有開發(fā)多種生物技術(shù)手段，才能實現(xiàn)從休眠態(tài)到代謝旺盛的微生物，從基因到個體，甚至群落適應(yīng)空間真實環(huán)境的生物學(xué)機制，在此基礎(chǔ)上，才能利用微生物開發(fā)、預(yù)測和假設(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。 將微生物實驗技術(shù)和空間生物工程研究相結(jié)合，進而實現(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、健康和工效的問題是載人航天的首要問題。 研究表明，藥物在空間環(huán)境中施用時的表現(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)境下評估了二甲雙胍影響細胞代謝途徑，了解微重力條件下藥物在細胞內(nèi)的作用途徑，進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)的酵母細胞簇的遺傳分化，進而為尋找抑制腫瘤細胞簇的新藥或?qū)ふ倚碌幕虬悬c奠定基礎(chǔ)。

利用空間特殊條件篩選產(chǎn)率高、活性強的生產(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)取得很大的進展[45]。 更重要的是，將空間環(huán)境作為創(chuàng)新平臺，利用微生物工程菌實現(xiàn)藥品、食品、化學(xué)品的制備，能夠促進空間生物技術(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 研究團隊[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)，進而指導(dǎo)空間環(huán)境下異丁烯生產(chǎn)；Birlem等[47]通過開展空間特殊環(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，通過提高療效和保護性免疫反應(yīng)促進下一代疫苗的設(shè)計和開發(fā)。

7 結(jié)束語

探討空間環(huán)境對微生物生命體的影響，其最終目標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)象及其活動規(guī)律的基礎(chǔ)研究，特別是長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制，對于長期航天任務(wù)的安全性和可持續(xù)性開展具有重要的支撐作用。 同時，立足于微生物在空間環(huán)境下獨特的代謝特征，利用空間微生物技術(shù)指導(dǎo)地面生產(chǎn)，挖掘人類對空間資源利用潛力，也是未來我國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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