NIAC project : A Synthetic Biology Architecture to Detoxify and Enrich Mars Soil for Agriculture

Hello everyone,

It seems that you liked my previous post about "growing" building materials, so I'm back with a new NIAC project. This research project is a bit older and was published in 2017 on NASA website but it is very interesting since it is exploring methods to grow crops on Mars !

I know that you might have the image of Matt Damon planting potatoes in human excrement in a desperate attempt to survive alone on Mars, but I have to tell you that the Martian soil is actually toxic for our earth plants. Also, once again, I must tell you that even though this project received funding from NASA, it has low chances to be realized one day. Indeed, the goal of the NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) is to encourage creativity by funding feasibility studies and simulations of crazy ideas. This is a lot of fun, go check them out here ! (I might post more about projects I like :D )

So let's go back to the topic and answer the following question :
Could we use synthetic biology to grow crops on Mars?

Recent studies have shown that biology could be a powerful tool for space exploration, and synthetic biology could be a game-changer by allowing humans to grow their own food where they are, for example on Mars. In addition to give more resilience to human colonies far from Earth, it can also help to reduce the cargo and therefore the cost of such mission.

Scientists at the University of California, Berkeley are working on a Synthetic Biology Architecture to detoxify and enrich Mars soil for agriculture. The idea is to create a single model organism that can detoxify perchlorate, a highly toxic chemical found in Mars soil, and enrich it with ammonia, which is essential for plant growth.

The team will investigate two strains of Pseudomonas, a diverse clade of organisms that includes relevant extremophiles. Pseudomonas stutzeri PDA is a perchlorate reducer that has been previously studied, while Pseudomonas stutzeri A1501 is capable of nitrogen fixation. By combining these two systems, the team hopes to potentiate soil-based agriculture on Mars, which could support manned missions to the red planet.

One of the advantages of this approach is that it requires a low mass of microorganisms at startup since these organisms can grow on-demand with in-situ resources. The elimination of toxic wastewater is another benefit, as current approaches like washing out perchlorate to cleanse soil or using hydroponics to grow plants can generate toxic wastewater.

To test their concept architecture, the team has already developed a microbial growth chamber that can apply environment parameters over Mars-relevant ranges. They will study how strains PDA and A1501 perform in increasingly Mars-like conditions, including pressure, temperature, light intensity, UV radiation, and the carbon dioxide-nitrogen atmosphere. With these experiments, the team hopes to identify limitations and derive targets for future optimization.

If successful, this Synthetic Biology Architecture could be a promising solution for growing crops on Mars. It could also have broader impacts on Earth-based bioremediation and non-arable land enrichment, which could improve food production to address famines, droughts, and larger populations.

I found this research very interesting, as it opens near infinite possibilities! In addition, I lived in Martinique, a small island in the Caribbean, and one of their major problem is soil pollution by Chlordecone, an insecticide used extensively on banana fields and that is known to be a persistent organic pollutant. As a result, on this island, the rate of death by prostate, stomach and pancreatic cancer is abnormally high. I really hope that such projects can be applied to get rid of these nasty pollutants !

That's it for me for today, I hope you enjoyed this post !
Thanks for reading to the end, and as always, feel free to leave a comment!

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Version Fr :

Bonjour à tous,

Il semble que vous ayez apprécié mon précédent article sur les matériaux de construction "cultivables", donc je suis de retour avec un nouveau projet NIAC. Ce projet de recherche est un peu plus ancien car il a été publié en 2017 sur le site web de la NASA, mais il est très intéressant car il explore des méthodes pour cultiver des plantes sur Mars !

Je sais que vous avez sans doutes en tête l'image de Matt Damon plantant des pommes de terre dans des excréments humains dans une tentative désespérée de survivre seul sur Mars, mais je dois vous dire que le sol martien est en réalité toxique pour nos plantes terrestres. De plus, je dois préciser une fois encore que même si ce projet a reçu un financement de la NASA, il a peu de chances d'être réalisé un jour. En effet, l'objectif du NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) est d'encourager la créativité en finançant des études de faisabilité et des simulations d'idées folles. C'est très amusant, allez voir ici ! (Je pourrais poster davantage sur les projets que j'aime :D )

Revenons donc au sujet et essayons de répondre à la question suivante :
Pourrions-nous utiliser une biologie synthétique pour cultiver des plantes sur Mars ?

Des études récentes ont montré que la biologie pourrait être un outil important pour l'exploration spatiale, et la biologie synthétique pourrait être un élément déterminant en permettant aux humains de cultiver leur propre nourriture là où ils se trouvent, par exemple sur Mars. En plus de donner davantage de résilience aux colonies humaines loin de la Terre, cela peut également aider à réduire la charge utile au décollage et donc le coût d'une telle mission.

Des scientifiques de l'Université de Californie, Berkeley travaillent sur une architecture de biologie synthétique pour détoxifier et enrichir le sol martien pour l'agriculture. L'idée est de créer un organisme pouvant à la fois détoxifier le perchlorate, un produit chimique hautement toxique présent dans le sol martien, et l'enrichir en azote, essentiel à la croissance des plantes.

L'équipe étudiera deux souches de Pseudomonas, un clade divers d'organismes qui comprend des extrêmophiles. Pseudomonas stutzeri PDA est un réducteur de perchlorate qui a été étudié auparavant, tandis que Pseudomonas stutzeri A1501 est capable de fixation de l'azote. En combinant ces deux systèmes, l'équipe espère rendre possible de développement d'une agriculture sur Mars, ce qui pourrait soutenir les missions habitées vers la planète rouge.

L'un des avantages de cette approche est qu'elle nécessite une faible masse de micro-organismes au démarrage, car ces organismes peuvent se développer une fois sur place avec des ressources in situ. L'abscence de production d'eaux usées toxiques est un autre avantage, car les approches actuelles comme le lavage du perchlorate pour nettoyer le sol ou l'utilisation de l'hydroponie pour faire pousser des plantes peuvent générer des eaux usées toxiques.

Pour tester leur concept, l'équipe a déjà développé une chambre de croissance microbienne qui peut simuler les conditions Martiennes. Ils étudieront la performance des souches PDA et A1501 dans des conditions de plus en plus semblables à Mars, notamment en pression, température, intensité lumineuse, rayonnement UV, ainsi que les effets de la composition de l'atmosphère Martienne. Avec ces expériences, l'équipe espère identifier les limitations et trouver comment optimizer leur système.

Si cette expérience est un succès, elle pourrait être une solution prometteuse pour faire pousser des plantes sur Mars. Elle pourrait également avoir des impacts plus larges sur la dépollution des sols et l'enrichissement des terres non-arables, ce qui pourrait améliorer la production alimentaire pour lutter contre les famines, les sécheresses et soutenir une population plus nombreuse.

J'ai trouvé cette recherche très intéressante car elle ouvre des possibilités quasi infinies ! De plus, j'ai vécu en Martinique, une petite île des Caraïbes, et l'un de leurs principaux problèmes est la pollution des sols par le chlordécone. Il s'agit d'un insecticide utilisé massivement dans les plantations de bananes et connu pour être un polluant organique persistant. Par conséquent, sur cette île, le taux de mortalité par cancer de la prostate, de l'estomac et du pancréas est anormalement élevé. J'espère vraiment que de tels projets pourront être appliqués pour se débarrasser de ces polluants nocifs !

C'est tout pour moi aujourd'hui, j'espère que vous avez apprécié ce post ! Merci d'avoir lu jusqu'au bout, et comme toujours, n'hésitez pas à laisser un commentaire !