工作原理：培育生物无人机探索火星

美国宇航局正在研发一种原型无人机，该无人机将能够在适度高度对火星进行勘测。但是，如果我们不将无人机运送到火星，而是只运送小瓶细胞，然后用它们在红色星球上培育可生物降解的无人机，那会怎样？去年夏天，来自斯坦福大学、斯佩尔曼学院和布朗大学的学生团队制造了这样一架无人机，随后他们将其送入了 2014 年国际基因工程机器大赛。

该团队与美国宇航局加利福尼亚州艾姆斯研究中心的合成生物学家 Lynn Rothschild 合作，制造出一种由真菌和植物生物材料组成的无人机。无人机升空时，这些材料已经死亡，因此即使无人机坠毁，也不会形成新的真菌群落。“这些材料重量轻、价格低廉，不会污染环境，”Rothschild 说。“这就像把毛衣放在外面一样令人担忧。”那么，如何制造“生物无人机”呢？

塑造和成长

首先，iGEM 团队在 3D 建模软件中设计了无人机的外形。该设计文件被发送给生物材料公司 Ecovative Design，该公司通过真空成型技术，用 8 英寸见方的真菌菌丝体制作了无人机机身。然后，Ecovative 用生物材料（稻草和枯叶）填充这个模具。iGEM 团队成员、布朗大学和罗德岛设计学院双学位项目大三学生 Eli Block 解释说：“生物材料中接种真菌，然后真菌在模具中的所有材料中生长。之前它是一种松散的材料，但生长几周后就变成了一块固体。”两个这样的模具，每个直径约 8 英寸，外层覆盖着细菌纤维素醋酸盐，形成了无人机底盘。“所以它看起来像一个干三明治，重量和感觉就像泡沫塑料一样，”Rothschild 说。

“它看起来像一个干三明治，而且它的重量和感觉就像泡沫塑料一样。”

接下来，无人机要进行消毒。“消毒的目的是，你不会飞任何可能将有害生物带入环境的东西，”布洛克说。“而且你还有这种新的生物材料，你不想让它被霉菌吃掉。所以你不想让它立即分解。”

基因工程增强力量和能力

iGEM 团队进行了多项测试和实验，以期增强可生物降解无人机的性能，确保其能够在地球和其他星球的恶劣环境中飞行。为此，该团队改进了斯坦福大学和布朗大学 2012 年的 iGEM 项目“地狱细胞”，即通过提取“嗜极菌”的基因并将其插入大肠杆菌中而产生的转基因细菌。结果：细菌能够抵抗辐射和极端温度，无论是高温还是低温。这些硬化细胞不仅可以增强无人机的性能，还可以作为生物传感器从环境中读取数据。

“假设你拥有某些细胞，它们可以感知二氧化碳水平或辐射，并进行某种颜色读数。你可以同时感知事物，而无需在无人机上安装笨重的传感器，”Block 说。换句话说，可生物降解的无人机可以通过使用转基因生物传感器而不是更重的传感器硬件来保持其轻便性。然而，有一个警告：为了利用生物传感器收集的任何数据，无人机本身必须是可回收的。

防水

为了确保无人机在暴雨中发射时不会溶解，该团队希望利用纸蜂来为无人机防水。“纸蜂是一种生物，它们在筑巢时实际上会使用纤维素，植物纤维素，”iGEM 团队 19 岁的斯坦福大学三年级学生 Jotthe Kannappan 说。“它们咀嚼树皮，然后吐出来，唾液中的某种物质使纤维素具有防水和耐热性。所以我们的实验就是要弄清楚唾液中的哪种蛋白质能做到这一点。”

研究团队从纸蜂的唾液腺中提取了 RNA。

Kannappan 表示，纸蜂唾液腺中可能含有数百种蛋白质，因此该团队从纸蜂巢样本开始逆向研究，假设从巢中提取的任何蛋白质都与防水有关。“我们在基因组中找到了 30 个潜在蛋白质，最终根据其结构挑选出 5 个，然后挑选出 2 个尚未鉴定的蛋白质，”她说。一旦确定了这些蛋白质，该团队便从纸蜂唾液腺中提取 RNA 以找到匹配的蛋白质。Kannappan 表示，该团队能够分离出几种蛋白质，然后在细菌中培养它们。最终产品是试管中略带黄色的液体，比水粘稠一点，然后可以将其涂抹在生物无人机上使其防水——尽管识别纸蜂蛋白质所花费的时间意味着该团队没有机会在无人机上测试他们的防水解决方案。

“我们确实没有足够的时间，因为这是一个非常密集的分子过程——在此过程中需要进行大量的调试，”Kannappan 说。