美国国家航空航天局（NASA）正在研发一款原型无人机，该无人机能够从较低的高度对火星进行勘测。但如果不是将无人机运往火星，而是只运送小瓶的细胞，然后利用这些细胞在红色星球上培育出一架可生物降解的无人机呢？来自斯坦福大学、斯佩尔曼学院和布朗大学的一个学生团队去年夏天创造了这样一架无人机，然后他们将其申报了2014年国际基因工程机器竞赛。
在NASA埃姆斯研究中心的合成生物学家林恩·罗斯柴尔德（Lynn Rothschild）的指导下，该团队创造了一架无人机，它由真菌和植物的生物材料组成。无人机起飞时，这些材料已经死亡，因此即使坠毁也不会形成新的真菌群落。罗斯柴尔德说：“它们重量轻，成本低，而且不会污染环境。”“这和把毛衣留在外面差不多。”那么，如何制造“生物无人机”呢？
模塑与生长
首先，iGEM团队在3D建模软件中设计了无人机的形状。然后将设计文件发送给生物材料公司Ecovative Design，该公司通过真空成型技术，利用一块8英寸的方形真菌菌丝体制造了无人机主体。然后Ecovative公司将生物材料填充到这个模具中：稻草和枯叶。“生物材料被接种真菌，然后真菌在模具中的所有材料中生长，”iGEM团队成员，布朗大学和罗德岛设计学院双学位项目的二年级学生埃利·布洛克（Eli Block）解释道。“以前它有点松散，几个星期后，它就变成了一个坚实的整体。”其中两个模具，每个直径约8英寸，外面包裹着细菌纤维素醋酸盐，构成了无人机的底盘。“所以它看起来像一片干三明治，重量和手感都像泡沫塑料，”罗斯柴尔德说。
“它看起来像一片干三明治，重量和手感都像泡沫塑料。”
接下来，无人机被消毒。“它的目的是避免飞行任何可能将有害生物引入环境的物质，”布洛克说。“而且，你有一种新的生物材料，你不想让它被霉菌吃掉。所以你不想让它立即分解。”
基因工程以增强强度和能力
iGEM团队进行了多项测试和实验，研究如何增强可生物降解无人机的性能，以确保其能在地球和其他行星的恶劣环境中飞行。为此，该团队改进了2012年斯坦福-布朗iGEM项目的一项研究，该研究涉及“地狱细胞”（Hell Cells）。这是一种基因改造的细菌，通过将“极端微生物”的基因植入大肠杆菌（E. coli）中而产生。结果是：细菌能够抵抗辐射和极端温度（高温和低温）。这些强化后的细胞不仅可以加固无人机，还可以作为生物传感器来读取环境信息。
“比如，你有某些细胞可以感知二氧化碳含量或辐射，并进行某种颜色读数。你可以同时感知多种事物，而无需在无人机上安装笨重的传感器，”布洛克说。换句话说，一架可生物降解的无人机可以通过使用基因改造的生物传感器而不是更重的传感器硬件来保持其轻巧。不过，有一个前提：要利用生物传感器收集的任何数据，无人机本身都必须能够回收。
防水
为了确保无人机在雨中飞行时不会溶解，该团队借鉴了纸巢蜂的筑巢方法来实现无人机的防水。“纸巢蜂在建造巢穴时，实际上会使用植物纤维素，”iGEM团队成员，斯坦福大学19岁的二年级学生乔特·坎纳潘（Jotthe Kannappan）说。“它们咀嚼树皮，吐出来，唾液中的某些物质使纤维素具有很强的防水性和耐热性。所以我们的实验是找出唾液中是哪种蛋白质起到了这个作用。”
该团队从纸巢蜂的唾液腺中提取了RNA。
坎纳潘说，纸巢蜂的唾液腺中可能含有数百种蛋白质，因此团队通过纸巢蜂巢穴样本进行逆向研究，假设从巢穴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种潜在蛋白质的有效匹配，并根据其结构选择了五种，然后选择了两种/未被充分表征的，”她说。一旦确定了这些蛋白质，团队就从纸巢蜂的唾液腺中提取RNA以寻找匹配项。坎纳潘说，团队能够分离出几种蛋白质，然后在细菌中进行培养。最终的产品是在试管中呈现出略带黄色的液体，粘稠度比水稍高，然后可以涂抹在生物无人机上使其防水——尽管鉴定纸巢蜂蛋白质所花费的时间意味着团队没有机会在无人机本身上测试他们的防水解决方案。
“我们肯定是没有时间了，因为这是一个非常密集的分子过程——过程中有很多调试，”坎纳潘说。
生物安全与自毁
由于无人机由真菌菌丝体组成，并用纤维素醋酸盐包裹，因此在坠毁后能够自行降解。更棘手的问题是如何处理“地狱细胞”。如果无人机坠毁，如何确保转基因活细胞不会与环境中天然存在的细胞混合？答案是在细胞的遗传密码中插入布洛克称之为“停止字母”的东西。
基本上，iGEM团队进一步改造了“地狱细胞”，加入了所谓的密码子安全技术。这项技术借鉴了2013年哈佛医学院乔治·丘奇（George Church）实验室的工作，创造了基因改造的大肠杆菌。这些基因改造的菌株用一种不同的三字母“停止”密码子——它标志着基因的结束——替换了原始大肠杆菌中使用的密码子。
“这是在改变一些遗传密码的含义，”罗斯柴尔德说。“这就像你拿了一本书，每次看到‘今天’这个词，你就读‘蓝色’。这样做的想法是，如果它在那里坠毁，并且上面有活细胞，它们将说一种与环境中其他细胞不同的语言。”
