Биохимический процесс, с помощью которого цианобактерии получают питательные вещества из горных пород в пустыне Атакама в Чили, вдохновил инженеров Калифорнийского университета в Ирвине на размышления о том, как микробы могут помочь людям строить колонии на Луне и Марсе.

Исследователи факультета материаловедения и инженерии UCI и факультета биологии Университета Джона Хопкинса использовали электронную микроскопию высокого разрешения и передовые методы спектроскопической визуализации, чтобы получить точное представление о том, как микроорганизмы изменяют как природные минералы, так и синтетические нанокерамики. Ключевым фактором, по мнению ученых, является то, что цианобактерии производят биопленки, которые растворяют частицы магнитного оксида железа в гипсовых породах, впоследствии превращая магнетит в окисленный гематит.

Выводы команды, которые являются предметом статьи, опубликованной недавно в журнале Materials Today Bio , могут открыть путь для новых биомиметических методов добычи. Авторы также заявили, что рассматривают полученные результаты как шаг к использованию микроорганизмов в крупномасштабной 3D-печати или аддитивном производстве в масштабах, полезных в гражданском строительстве в суровых условиях , таких как на Луне и Марсе.

«Благодаря биологическому процессу , который развивался в течение миллионов лет, эти крошечные горняки выкапывают горные породы, извлекая минералы, необходимые для физиологических функций, таких как фотосинтез, которые обеспечивают их выживание», — сказал корреспондент Дэвид Кисайлус, профессор материалов UCI. наука и техника. «Могут ли люди использовать аналогичный биохимический подход для получения полезных ископаемых и управления ими? Этот проект привел нас по этому пути».

Пустыня Атакама — одно из самых засушливых и негостеприимных мест на Земле, но Chroococcidiopsis , цианобактерия, обнаруженная в образцах гипса, собранных там командой Джона Хопкинса, развила «самые удивительные приспособления, чтобы выжить в своей каменистой среде обитания», — сказал соавтор. Джоселин Ди Руджеро, адъюнкт-профессор биологии Балтиморского университета.

«Некоторые из этих черт включают производство хлорофилла, который поглощает дальнекрасные фотоны, и способность извлекать воду и железо из окружающих минералов», — добавила она.

Используя передовые электронные микроскопы и спектроскопические инструменты, исследователи нашли доказательства существования микробов в гипсе, наблюдая, как преобразовывались сами содержащиеся в нем минералы.

«Клетки цианобактерий способствовали растворению магнетита и солюбилизации железа, производя большое количество внеклеточных полимерных веществ, что приводило к растворению и окислению магнетита в гематит», — сказал Ди Руджеро. «Производство сидерофоров [железосвязывающих соединений, образуемых бактериями и грибами] было усилено в присутствии наночастиц магнетита, что предполагает их использование цианобактериями для получения железа из магнетита».

Кисайлус сказал, что то, как микроорганизмы перерабатывают металлы в своем заброшенном доме, заставило его задуматься о наших собственных методах добычи и производства.

«Когда мы занимаемся добычей полезных ископаемых, мы часто находим руды, которые могут создавать проблемы для извлечения ценных металлов», — сказал он. «Нам часто приходится подвергать эти руды экстремальной переработке, чтобы превратить их в нечто ценное. Такая практика может быть дорогостоящей в денежном и экологическом отношении».

Кисайлус сказал, что сейчас он обдумывает биохимический подход с использованием природных или синтетических аналогов сидерофоров, ферментов и других выделений для обработки минералов там, где в настоящее время работает только большая механическая дробилка. И, сделав шаг вперед, он сказал, что также может быть способ заставить микроорганизмы использовать аналогичные биохимические способности для производства инженерного материала по запросу в менее чем удобных местах.

«Я называю это «формированием Луны», а не терраформированием», — сказал Кисайлус. «Если вы хотите построить что-то на Луне, вместо того, чтобы тратить деньги на то, чтобы люди делали это, мы могли бы использовать роботизированные системы для 3D-печати, а затем позволить микробам переконфигурировать это во что-то ценное. Это можно было бы сделать, не подвергая опасности человеческие жизни ».

Он добавил, что людям не всегда нужно использовать эдисоновские подходы, чтобы понять, как что-то делать.

«Это главная тема моей лаборатории биомиметики и наноструктурных материалов. Зачем пытаться изобретать велосипед, если природа совершенствовала его за сотни миллионов лет?» — сказал Кисайлюс. «Нам просто нужно извлечь секреты и чертежи того, что делает природа, и применить или адаптировать их к тому, что нам нужно».