太空中由酵母驱动的生物制造：协同细胞农业以实现可持续的外星栖息地

让太空旅行者吃得不只靠预包装餐

当人类前往月球、火星乃至更远之处时，不能永远依赖从地球发射的食品箱。随着时间推移，储存食物会失去维生素，占用珍贵货舱空间，口味也会变得乏味。本文探讨了来自面包和啤酒制作的谦逊伙伴——酵母，如何成为一个微小但能干的“工人”，把废物和简单原料转化为新鲜食物、营养素、药品，甚至材料，帮助未来的太空定居者更像农夫而非露营者般生活。

为何酵母是坚韧的小伙伴

酵母是单细胞真菌，生长迅速并能应对多种环境条件，包括低营养、高糖和中等辐射。它们在有氧时可进行呼吸，缺氧时可切换为发酵，这在资源有限的航天器内非常实用。科学家可以用 CRISPR 等现代工具轻易改写酵母 DNA，引导其代谢产生期望的产物。与植物、动物细胞或细菌相比，酵母需水和能量更少，能提供高含量蛋白质，且已广泛用于食品和工业，为工程师在太空应用上提供了坚实的起点。

从微小工厂到完整餐食

酵母细胞可以被调整以合成健康饮食的多种构成要素。天然酵母含有35%到60%的蛋白质，氨基酸平衡良好且几乎不含常见食物过敏原。像美国宇航局的 BioNutrients 计划等太空项目正在测试可食用的工程化酵母，这些酵母能够在轨道长期储存后按需释放类胡萝卜素等维生素。通过进一步改造，其他酵母菌株可以产生脂肪、果香或咸味风味化合物，以及赋予植物基汉堡颜色和风味的类血红素分子。在紧凑的发酵器中，相对较小体积的酵母培养物就能养活数十人，有助于在不建大面积温室的情况下满足热量和微量营养素需求。

将废物转化为食物与有用物品

在封闭的太空栖息地中，每一片废弃物都很重要。综述描述了酵母如何位于回路核心，回收空气、水和垃圾。宇航员呼出的二氧化碳可通过化学步骤转变为乙酸或甲醇等简单分子，工程化酵母可将其作为碳源利用。尿液可提供氮源，不能食用的植物残余或厨房垃圾可被分解为糖类。酵母随后将这些投入物转化为富含蛋白的生物质、维生素和有价值的副产物，而不是让废物堆积。一些菌株甚至可以被改造以生产类似塑料的材料，强度足以用于3D打印基本工具，将食物生产与设备维修联系在同一生物学工具包中。

健康保护与潜在隐患

除营养外，酵母还能通过充当微型药物工厂和研究模型来帮助保护宇航员健康。由于许多酵母基因与人类基因在功能上有相似性，科学家已将数千株酵母送入太空任务，以观察微重力和辐射如何损伤细胞。这些试验揭示了参与 DNA 修复和应激反应的关键通路，为设计更能耐受太空环境并能在需要时合成药物的酵母提供了指导。与此同时，作者警告说，在密闭舱室中，失控的酵母生长或突变可能污染设备、改变空气质量，或在罕见情况下影响机组成员健康。他们列出了诸如谨慎选择菌株、严格清洁和实时监测等安全措施以管理这些风险。

应对太空压力并展望未来

轨道生活对微生物并不宽容。研究表明，微重力会改变酵母的形态、增长模式和基因活性，有时加速老化，但也提升了某些有用性状，如重金属结合能力。辐射则带来额外压力。为应对这些挑战，工程师正在设计在低重力下控制流体流动的更智能生物反应器，并利用基因改造提高细胞的能量利用与修复系统。展望未来，文章想象了酵母、植物与动物细胞形成紧密相连的三元体系，人工智能与微型反应器平衡其产出。在这一愿景中，酵母成为一个活的、自我调节支持系统的核心支柱，减少对地球补给的依赖，帮助实现长期太空生活的可持续性与人性化。

引用: Yin, Y., Gao, H., Xiao, D. et al. Yeast-driven biomanufacturing in space: synergizing cellular agriculture for sustainable extraterrestrial habitats. npj Microgravity 12, 40 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00576-2

关键词: 酵母生物制造, 太空食品, 细胞农业, 闭环生命支持, 微重力生物学